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作為電子工程師，在職業生涯中會碰到各種各樣的問題，其作用就是利用所學的知識解決各種問題。當進行以電流形式輸出的傳感器電路設計時，通常會通過以下的步驟進行設計：首先電流轉換為電壓，然后進行電壓變換使其適合MCU處理的電壓范圍。從上面的步驟看出電流轉換電壓是電流形式輸出傳感器設計的一個重點。下文將從簡單到復雜進行電流轉電壓電路的分析。 首先，看下經典的電流轉換電壓靜電電路，通常使用一個運放和一個反饋電阻進行設計，如下圖所示： 當設置輸入電流源為1Hz電流強度為1mA時，在multisim上仿真結果如下： 從仿真的結果上可以看出，該電路完成了電流與電壓的轉換并進行了信號的放大。雖然完成了設計的初衷，當深入的分析一下，會有另一番風景。 在電流轉換電壓電路中，一個重要的參數就是靈敏度，如上圖，經過一個運算放大器將0.001A的電流轉換為2V的電壓，就可以定義該電路的靈敏度為2V/ma，也就是說電流轉換電壓的電路，輸出電壓大小與電路的靈敏度有關。 上圖的電流轉換電壓電路的反饋元件是電阻，而實際上，可以采用電阻、電容和電感的各種組合，其一般的表達式為： Vo(s)=-Z(s)*Ii(s) 在實際使用時，有的時候需要高靈敏度的電流電壓轉換電路，如果按照上圖的電路進行設計，采用大點的反饋元件即可，但是這也為后續的設計和方案的一致性埋下了失敗的伏筆：反饋元件數值越大，如果精度相同，那么一致性會大打折扣。比如對于上面的電路，采用5%的1kΩ的電阻，其有效值范圍為950-1050Ω，如果換為1MΩ的5%的電阻，其有效值范圍為9500-10500Ω。為了解決類似的問題，在實際的設計中會采用T型反饋網絡的電流電壓轉換電路，如下如 利用基爾霍夫電流定律，可以求得 Vo=-(1+R2/R1+R2/R3)*R1*I(i) 這樣，就可以利用數值較低的元件完成靈敏度較高的電流電壓轉換電路。利用multisim仿真結果如下： 除了在飯反饋網絡上下功夫，還要考慮另外一個因素：運放的輸入偏置電流。 所謂的輸入偏置電流就是保證放大器工作在線性范圍，為放大器提供直流工作點的電流。對于采用三極管作為運放輸入極的運放來說，輸入偏置電流就是基極的電流。如果設計高靈敏度的電流電壓轉換電路，并且需要高的輸入電阻，這時可以考慮用 JFET 輸入或者MOSFET輸入的運放。因為 JFET 是電壓控制器件，其輸入偏置電流參數是指輸入 PN 結的反向漏電流，數值應在 PA 數量級。電壓控制的MOSFET 器件，可以提供更小的輸入漏電流。 一個常用的電流電壓轉換電路應用例子就是光電探測電路。相信做過光電檢測的人對該電路一定不會陌生。另一個常用的電流電壓轉換電路就是經典的R-2R梯形DAC電路。具體電路設計如下： 該電路中，可以通過bn的數值進行開關Sn的開關狀態， 在該電路中，奇數項電阻阻值為R，偶數項電阻阻值為2R，此時 Vo=-(Rf/R)Vi(b1*2-1+ b2*2-2+ …+ bn*2-n) 現在深入的分析運放U1的兩個輸入端電流和，將電源Vi和所有的權電阻和開關看做一個黑匣子，利用基爾霍夫電流定律可知，運放的N和P極的電流在數學表達上可以表示為 In+Ip=(1-2-n)Vi/R 在數字電路中可以表示為兩個狀態的互補形式。 R-2R梯形DAC電路的優點是設計簡單，且每位權電壓變化最小。但是，也有其設計的難點：運放的N極和P極電壓必須最大限度的接近，否則容易產生線性誤差，這在一定程度上影響了DAC的精度。為盡量減小這一誤差，在實際的設計中經常采用低漂移量的運放和在設計使總輸入失調誤差最小。 電路設計本身就是一個技術和藝術的結合，也是一個由淺入深的經驗過程，上面的小文是筆者在電路設計中碰到的和解決問題得出的一些淺見，如有不當和解釋不詳的情況，請留言，共同提高。 |
