設計詳解NO 1:運放組成的I/V及V/I變換電路
發布時間:2015-04-07 責任編輯:echolady
【導讀】對於運放電路來說,V/I和I/V變(bian)換(huan)電(dian)路(lu)隻(zhi)是(shi)其(qi)中(zhong)的(de)兩(liang)種(zhong),但(dan)是(shi)由(you)此(ci)衍(yan)生(sheng)出(chu)的(de)種(zhong)類(lei)卻(que)有(you)很(hen)多(duo),本(ben)文(wen)依(yi)據(ju)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)功(gong)能(neng)和(he)交(jiao)流(liu)調(tiao)壓(ya)電(dian)路(lu)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi),列(lie)舉(ju)出(chu)六(liu)種(zhong)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)詳(xiang)細(xi)的(de)分(fen)析(xi)。
duijiaoliudiandedianyahepinlvjinxingzhuanbiandedianlu。anqiduidiannengbianhuandegongneng,kefenweijiaoliutiaoyadianluhebianpindianlu。qianzhebugaibianjiaoliudiandepinlv,zhigaibianqidianya。anyidingguilvkongzhijiaoliutiaoyadianlukaiguandetongduan,jikekongzhishuchufuzaidianya。jiaoliutiaoyadianludekongzhifangshiyouzhoubokongzhi、相位控製和斬波控製等3種zhong方fang式shi。周zhou波bo控kong製zhi調tiao壓ya適shi用yong於yu負fu載zai熱re時shi間jian常chang數shu較jiao大da的de電dian熱re控kong製zhi係xi統tong。其qi缺que點dian是shi在zai負fu載zai容rong量liang很hen大da時shi,開kai關guan的de通tong斷duan引yin起qi對dui電dian網wang的de衝chong擊ji,從cong而er引yin起qi電dian網wang電dian壓ya閃shan變bian。相xiang位wei控kong製zhi調tiao壓ya適shi用yong於yu電dian動dong機ji速su度du控kong製zhi或huo電dian熱re控kong製zhi。其qi主zhu要yao缺que點dian是shi輸shu出chu電dian壓ya包bao含han較jiao多duo的de諧xie波bo分fen量liang,當dang負fu載zai是shi電dian動dong機ji時shi,會hui使shi它ta產chan生sheng脈mai動dong轉zhuan矩ju和he附fu加jia諧xie波bo損sun耗hao,還hai會hui引yin起qi電dian源yuan電dian壓ya畸ji變bian。為wei此ci,須xu在zai電dian源yuan側ce和he負fu載zai側ce分fen別bie加jia濾lv波bo網wang絡luo。斬zhan波bo調tiao壓ya電dian路lu輸shu出chu電dian壓ya質zhi量liang較jiao高gao,對dui電dian源yuan影ying響xiang也ye較jiao小xiao,主zhu要yao缺que點dian是shi元yuan器qi件jian成cheng本ben較jiao高gao。
1、 0-5V/0-10mA的V/I變換電路
圖1是由運放和阻容等元件組成的V/I變換電路,能將0-5V的直流電壓信號線性地轉換成0-10mA的電流信號,A1是比較器。A3是電壓跟隨器,構成負反饋回路,輸入電壓Vi與反饋電壓Vf比較,在比較器A1的輸出端得到輸出電壓VL,V1控製運放A1的輸出電壓V2,從而改變晶體管 T1的輸出電流IL而輸出電流IL又影響反饋電壓Vf,達到跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的大小可通過下式計算:IL=Vf/(Rw+R7),由於負反饋的作用使Vi=Vf,因此IL=Vi/(Rw+R7),當Rw+R7取值為500Ω時,可實現0-5V/0-10mA的V/I轉換。

圖2中Vf是輸出電流IL流過電阻Rf產生的反饋電壓,即V1與V2兩點之間的電壓差,此信號經電阻R3、R4加到運放A1的兩個輸入端 Vp與Vn,反饋電壓Vf=V1-V2,對於運放A1,有VN=Vp;Vp=V1/(R2+R3)×R2,VN=V2+(Vi-V2)×R4 /(R1+R4),所以V1/(R2+R3)×R2=V2+(Vi-V2)×R4/(R1+R4),依據Vf=V1-V2及上式可推導出:


3、 1-5V/4-20mA的V/I變換電路
在圖3中。輸入電壓Vi是疊加在基準電壓VB(VB=10V)上,從運放A1的反向輸入VN端輸入的,晶體管T1、T2組成複合管,作為射極跟蹤器,起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2),使得IL≈I1,而運放A1滿足VN≈Vp,如果電路圖中 R1=R2=R,R4=R5=kR,則有如下表達式:



在實際應用中,對於不存在共模幹擾的電流輸入信號,可以直接利用一個精密的線繞電阻,實現電流/電壓的變換,如圖4,若精密電阻 R1+Rw=500Ω,可實現0-10mA/0-5V的I/V變換,若精密電阻R1+Rw=250Ω,可實現4-20mA/1-5V的I/V變換。圖中 R,C組成低通濾波器,抑製高頻幹擾,Rw用於調整輸出的電壓範圍,電流輸入端加一穩壓二極管。

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5、 由運放組成的0-10mA/0-5V的I/V變換電路
在圖5中,運放A1的放大倍數為A=(R1+Rf)/R1,若R1=100kΩ,Rf=150kΩ,則A=2.5;若R4=200Ω,對於 0-10mA的電流輸入信號,將在R4上產生0-2V的電壓信號,由A=2.5可知,0-10mA的輸入電流對應0-5V的輸出電壓信號。

6、 4-20mA/0-5V的I/V變換電路
經對圖6電路分析,可知流過反饋電阻Rf的電流為(Vo-VN)/Rf與VN/R1+(VN-Vf)/R5相等,由此,可推出輸出電壓Vo的表達式:
Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf.由於VN≈Vp=Ii×R4,上式中的VN即可用Ii×R4替換,若 R4=200Ω,R1=18kΩ,Rf=7.14kΩ,R5=43kΩ,並調整Vf≈7.53V,輸出電壓Vo的表達式可寫成如下的形式:

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