在電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓轉(zhuǎn)電流電路是一種常見且重要的電路類型，它能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒?img src="https://file3.dzsc.com/data/25/08/13/154527147.png" style="max-width:700px;">號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號輸出。今天，我們將詳細(xì)介紹一個(gè)基于 TI 參考設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)電流電路，該電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) 5V 電源供電、0 - 2V 輸入以及 0 - 100mA 輸出?！　≡O(shè)計(jì)目標(biāo)

　　本電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，電源電壓為 5V，輸入電壓范圍是 0 - 2V，輸出電流范圍為 0 - 100mA。這樣的設(shè)計(jì)可以滿足許多實(shí)際應(yīng)用場景的需求，例如傳感器信號處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域。
　　電路原理
　　該電路由兩級組成，每一級都有其獨(dú)特的功能和作用。
　　第一級：電流吸收（Current Sink）
　　第一級使用運(yùn)放和 NMOS 管，其主要功能是將以地為基準(zhǔn)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為以電源為基準(zhǔn)的信號。根據(jù) “虛短虛斷” 原理，Rs1 上的電壓等于輸入電壓 Vin。由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是 0 - 2V 輸入，為了減少第一級的能量損耗，我們將第一級的電流設(shè)計(jì)為最大 1mA，即當(dāng)整個(gè)電路滿量程電壓輸入 2V、電流輸出 100mA 時(shí)，電阻 Rs1 上面流過 1mA 電流。由此可以確定電阻 Rs1 的選型。
　　需要注意的是，電路的第一級不向負(fù)載輸送功率，由電源產(chǎn)生的電流在第一級等于是損耗了，同時(shí)運(yùn)放的靜態(tài)電流也會(huì)消耗能量。NMOS 管導(dǎo)通后，上下電流相等，其導(dǎo)通條件需要根據(jù)具體的電路參數(shù)和器件特性來確定。
　　第二級：電流源（Current Source）　　第二級輸出的電流可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第二級運(yùn)放的同向輸入端取自電阻 Rs2 上面的壓降，同樣根據(jù) “虛短虛斷” 原理進(jìn)行分析。為了將電源電壓都加在負(fù)載電阻上面，Rs3 需要盡可能的小。在滿量程時(shí)，我們可以根據(jù)電路的具體參數(shù)和設(shè)計(jì)要求來確定 Rs3 的取值。

　　圖為第二級電路示意
　　補(bǔ)償組件
　　第一級和第二級都需要補(bǔ)償部件以確保電路的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。第一級的 R2、R3、C6 以及第二級的 R4、R5、C7 都是用于補(bǔ)償電路的。
　　運(yùn)放輸出端連接 MOS 管的電阻是隔離電阻，它的作用是將運(yùn)放與 MOS 管柵極的容性負(fù)載（寄生電容）隔離，避免容性負(fù)載對運(yùn)放輸出產(chǎn)生影響。
　　MOSFET 的增益在高頻下通過運(yùn)算放大器輸出端直接提供反饋到運(yùn)放的反相輸入端的反饋電容在反饋回路中去除，這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的頻率大致基于由 CF 和 RF 值形成的 RC 時(shí)間常數(shù)。
　　補(bǔ)償元件的選項(xiàng)和取值不是固定不變的，需要通過不斷的實(shí)驗(yàn)來改進(jìn)。我們可以先從比較小的取值開始，例如 10Ω 的 RISO、10kΩ 的 RF 和 100pF 的 CF。如果不使用所有三個(gè)組件，電路將不穩(wěn)定，后續(xù)的設(shè)計(jì)步驟也將無法正常工作。
　　我們可以采用對電路的輸入施加小信號階躍響應(yīng)的方法，并觀察運(yùn)算放大器的輸出和負(fù)載電流。開始增加運(yùn)算放大器輸出和 MOSFET 柵極之間的串聯(lián)電阻值，直到獲得幾乎沒有振鈴和過沖的響應(yīng)。然后開始增加反饋電容的值，直到達(dá)到最終期望的響應(yīng)。如果在過沖、振鈴或振蕩得到解決之前，響應(yīng)過度抑制，則進(jìn)一步增加串聯(lián)電阻，并重新開始電容器尺寸確定過程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可先使用 SPICE TINA - TI 仿真工具進(jìn)行模擬，以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。
　　圖為補(bǔ)償組件示意
　　器件選型
　　運(yùn)放
　　運(yùn)放需要具備低偏移電壓、低溫度漂移和軌對軌輸出的特性。在本例中，我們選擇了 OPA2333 運(yùn)放。軌對軌輸出運(yùn)算放大器的輸出擺幅能夠完全控制供電軌內(nèi)的 MOSFET 器件的柵極，確保電路的正常工作。
　　MOS 管
　　MOS 管的選擇需要考慮其電氣參數(shù)，不能超過最大的 Vgs（gate - to - source voltage）、drain - to - source voltage (Vds) 和 drain current (ID)。同時(shí)，(Vgs (th)) 要小，便于運(yùn)放控制。本電路選擇了 SI2304DS n - channel MOSFET 和 NTF2955 p - channel MOSFET，并且選擇大電流大封裝的 MOS 管，以避免發(fā)熱問題。
　　無源器件
　　電阻應(yīng)選擇 0.1% 精度、溫漂低的器件，尤其是 Rs1、Rs2 和 Rs3，因?yàn)樗鼈兊木群蜏仄瘯?huì)直接影響電路的性能和穩(wěn)定性。
　　PCB 設(shè)計(jì)
　　在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，需要注意 PCB 走線電阻會(huì)影響本設(shè)計(jì)的精度，尤其是當(dāng)電流輸出值比較大的時(shí)候，寄生電阻會(huì)帶來更大的誤差。因此，所有 3 個(gè)電流取樣電阻到運(yùn)放都應(yīng)采用 Kelvin 連接，也稱為四端傳感，這種連接方式可以將傳感信號與電源信號分離，從而消除 PCB 跡線阻抗導(dǎo)致的電壓降。同時(shí)，RS2 和 RS3 應(yīng)緊挨在一起，以確保電壓電勢相等。
　　替代型號與注意事項(xiàng)
　　電流環(huán)的帶載能力取決于電源電壓，電壓越高帶載能力越大。當(dāng)修改設(shè)計(jì)以獲得更高的電壓或更大的輸出電流時(shí)，需要注意確保設(shè)計(jì)中的 MOSFET 和其他部件不會(huì)超過其最大電氣參數(shù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞或電路性能下降。