電阻性反饋電路---電壓電流轉(zhuǎn)換器(1)

電壓電流轉(zhuǎn)換器V-I轉(zhuǎn)換器)又稱為跨導(dǎo)放大器,它接受某個(gè)輸入電壓v_i单旁,并產(chǎn)生形如i_O=Av_i的輸出電流拦赠,這里A是電路增益或電路靈敏度巍沙,以安/伏計(jì)。對(duì)于實(shí)際的轉(zhuǎn)換器荷鼠,其特性更為真實(shí)的取為i_O=Av_i-\frac{1}{R_o}v_L
式中v_L是響應(yīng)電流i_O在輸出負(fù)載上建立的電壓句携,而R_0是從負(fù)載看進(jìn)去的轉(zhuǎn)換器輸出電阻。對(duì)于真正的V-I轉(zhuǎn)換允乐,i_O必須要和v_L無關(guān)矮嫉,即必須有R_o=\infty
電壓柔量(voltage compliance)是電壓v_L的可允許值范圍削咆,在運(yùn)算放大器部分任何飽和現(xiàn)象發(fā)生以前,該電路在這個(gè)電壓范圍內(nèi)仍能正常工作蠢笋。

如果負(fù)載的兩個(gè)端點(diǎn)都不受約束拨齐,這個(gè)負(fù)載就說是浮動(dòng)型的。常常是一個(gè)端點(diǎn)已經(jīng)約束到地或其他電位挺尿,這個(gè)負(fù)載就說是接地型的奏黑,而來自轉(zhuǎn)換器的電流必須饋到未被約束的一端炊邦。

浮動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)換器

浮動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)換器

如圖所示電路中编矾,無論電流i_O是多少都將會(huì)使得反向輸入電流跟隨著v_i,即i_O=\frac{1}{R}v_i

無論負(fù)載是何類型馁害,上述表達(dá)式都成立:對(duì)于某個(gè)電阻性轉(zhuǎn)換器窄俏,它可能是線性的;對(duì)于一個(gè)二極管碘菜,它可能是非線性的凹蜈。無論這個(gè)負(fù)載是什么,這個(gè)運(yùn)算放大器都將迫使它實(shí)現(xiàn)上述表達(dá)式忍啸。這個(gè)電流只決定于控制電壓v_i和設(shè)定電流的電阻R仰坦,而與負(fù)載電壓v_L無關(guān)。為了達(dá)到這個(gè)目的计雌,放大器必須將其輸出擺動(dòng)到v_O=v_i+v_L悄晃,這件事只要V_{OL}<v_O<V_{OH}就很容易做到。因此這個(gè)電路的電壓柔量就是(V_{OL}-v_i)<v_L<(V_{OH}-v_i)凿滤。

浮動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)換器

在如圖所示電路中妈橄,運(yùn)算放大器將它的反相輸入端一直保持在0V,這樣運(yùn)算放大器的輸出端一定要吸收電流
i_O=(v_i-0)/R
翁脆,并且其輸出電壓必須要擺動(dòng)到
v_O=-v_L
眷蚓。除了極性相反以外,電流還是相同的反番;然而沙热,電壓柔量現(xiàn)在變?yōu)?div id="ckw84ai" class="image-package"> V_{OL}<v_L<V_{OH}

特別地罢缸,當(dāng)負(fù)載為一個(gè)電容器時(shí)校读,這個(gè)電路是一個(gè)熟悉的積分器。如果讓v_i保持恒定祖能,這個(gè)電路就會(huì)有一個(gè)恒定的電流通過電容器歉秫,以某個(gè)恒定的速率對(duì)其充電或放電,這取決于v_i的極性养铸。這就構(gòu)成了各種波形發(fā)生器的基礎(chǔ)雁芙,如鋸齒波和三角波發(fā)生器轧膘、V-F和F-V轉(zhuǎn)換器,以及雙斜波A-D轉(zhuǎn)換器等兔甘。

上述第一個(gè)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是i_O必須來源v_i本身谎碍,而在第一個(gè)轉(zhuǎn)換器中,這個(gè)源看到的是一個(gè)真正的無限輸入電阻洞焙。然而蟆淀,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)又被一個(gè)更為有限的電壓柔量所抵消。這兩個(gè)電路中的任意一個(gè)能夠供給負(fù)載的最大電流都取決于運(yùn)算放大器澡匪。對(duì)于741而言熔任,一般這個(gè)電流是25mA。如果要求更大的電流唁情,要么用一個(gè)功率運(yùn)算放大器疑苔,或者用一個(gè)低功率運(yùn)算放大器再跟著一個(gè)輸出電流放大級(jí)

實(shí)際運(yùn)算放大器的限制

研究用一個(gè)實(shí)際運(yùn)算放大器的影響

在運(yùn)算放大器被它的實(shí)際模型替換后甸鸟,第一個(gè)轉(zhuǎn)換器就變成了上圖惦费。將全部電壓相加得到
v_i-v_D+v_L+r_oi_O-av_D=0
。將電流相加得到
i_O+v_D/r_d-(v_i-v_D)/R=0
抢韭。消去v_D并整理后能將
i_O
寫為
i_O=Av_i-\frac{1}{R_o}v_L
的形式薪贫,其中
A=\frac{1}{R}\frac{a-R/r_d}{1+a+r_o/R+r_o/r_d}
R_o=(R||r_d)(1+a)+r_o

很明顯,
a\to\infty
時(shí)得到理想情況下的結(jié)果
A\to 1/R
R_o\to \infty
刻恭。然而瞧省,對(duì)某個(gè)有限的增益
a
A
一定會(huì)有某些誤差吠各,而
R_o
雖然仍很大但一定不會(huì)是無限大臀突,這表明
i_O
對(duì)
v_L
有一個(gè)弱的依賴關(guān)系。對(duì)第二個(gè)轉(zhuǎn)換器有同樣處理方法贾漏。

接地負(fù)載轉(zhuǎn)換器

Howland電流泵及其諾頓等效電路

當(dāng)負(fù)載的一個(gè)端點(diǎn)已經(jīng)被約束時(shí)就不再能將它放在運(yùn)算放大器的反饋回路之內(nèi)候学。上圖示出了一種適用于接地負(fù)載的轉(zhuǎn)換器。這個(gè)稱之為Howland電流泵電路纵散,由一個(gè)具有串聯(lián)電阻
R_1
的輸入源
v_i
和一個(gè)合成的接地電阻值
-R_2R_3/R_4
的負(fù)阻轉(zhuǎn)換器所組成梳码。從負(fù)載看過去的電路可用圖(b)的諾頓等效電路所代替,其i-v特性滿足
i_O=Av_i-\frac{1}{R_o}v_L
∥橄疲現(xiàn)在希望求得從負(fù)載看過去的總輸出電阻
R_o
掰茶。
利用一個(gè)負(fù)電阻控制Ro

為此目的,首先對(duì)輸入源
v_i
和它的電阻
R_1
作源變換蜜笤,然后將這個(gè)負(fù)電阻與它并聯(lián)接上濒蒋,如圖所示,這里有
1/R_o=1/R_1+1/(-R_2R_3/R_4)
將其展開并整理得
R_o=\frac{R_2}{R_2/R_1-R_4/R_3}
,正如我們知道的沪伙,對(duì)于真正的電流源必須有
R_o\to \infty
瓮顽。為了實(shí)現(xiàn)這一條件,四個(gè)電阻必須構(gòu)成一個(gè)平衡電橋:
\frac{R_2}{R_1}=\frac{R_4}{R_3}

當(dāng)這個(gè)條件滿足時(shí)围橡,輸出就與
v_L
無關(guān):
i_O=\frac{1}{R_1}v_i

因?yàn)?div id="qqus4om" class="image-package"> v_L=v_OR_3/(R_3+R_4)=v_OR_1/(R_1+R_2)