各样增幅电路中，电压－电流转换电路设计

本篇将介绍各种增幅电路，包括反转增幅电路、非反转增幅电路、差动电路等，透过对定电流电路、基准电源电路、电流电压转换电路的介绍，使读者了解其特性及应用。

本篇将介绍各种增幅电路，包括反转增幅电路、非反转增幅电路、差动电路等，透过对定电流电路、基准电源电路、电流电压转换电路的介绍，使读者了解其特性及应用...

流转换电路 

接着要介绍输出阻抗为无限大的电压－电流转换电路，必需声明的是，本电路并非单极性电流电源而是双极性电流电源。 

基本增幅电路的变化Type 

表1(a)是将表1的TypeⅠ的输入电压，改成交流后的定电流电路，该电路最大缺点是必需从download提升负载。 

表1(b)是反转增幅电路，该反转增幅电路是将输入电压Vin转换成输入电流iin提供给负载使用，输入电压Vin与输入电流iin的关系可用式(1)表示： 

本电路同样必需从download提升负载，它与上述电路都属于特殊用途电路。 

差动增幅电路的变化Type 

表2(c)是前几篇曾经介的绍差动幅电路变化Type，基本上本电路是将增幅器与电流检测电阻RS连接，由于差动输出电压与RS的压降VS相等，因此差动幅电路的负载阻抗会变成电流检测阻抗，此时输出电流iout可用式(2)表示： 

本电路最大特征是可提供定电流流入给以ground为基准之负载使用。 

使用一个OP增幅器的电压－ 

电流转换电路 

表3是利用一个OP增幅器构成的电压－电流转换电路，它的基本结构与表2(b)完全相同，因此输出电流iout与表2(b)一样，都是利用式(2)计算。由于表2的R2＝R4，因此表3的R2是用式(3)表示： 

换句话说这种型式的电路必需增加电流检测电阻值。表3的输出阻抗(impedance)RO可用式(4)表示： 

由式(4)可知只要变更电阻R1～R4，就可以任意设定阻抗(impedance)R0。在表2与表3是将信号输入至反转输入，并且将非反转是当作接地考虑，由于差动增幅电路是最基本的电路，所以即使将信号输入至反转输入，或是将非反转接地再将信号输入至两输入都可动作。 

避免负载阻抗过大 

基本上负载阻抗RL不可以无限增加，例如表3的负载阻抗RL必需满足式(5)： 

VON：OP增幅IC的最大输出电压。 

iOPK：输出电流的峰值。 

而且R3＋R4＞＞RS，R3＋R4＞＞RL。 

定电流电路的输出阻抗(impedance)看似无限大，然而实际上OP增幅IC并无法提供超过最大输出电压的输出，因此使用上必需根据式(5)的要求，避免负载阻抗过大。此外最小输出电流受到OP增幅器的输入偏压电流与offset电压的限制，因此要求低电流输出的场合，必需使用具备高精度FET输入的OP增幅器。 

实际电压-电流转换电路的动作 

◆实验步骤 

利用表4所示的两个电路进行实验，增幅器A(亦即表4(a)所示的电路)为一般反转增幅电路；增幅器B为表3的电压－电流转换电路。为说明定电压增幅电路与定电流增幅电路的动作差异，因此在OP增幅器与负载之间插入逆接的5V Zener Diode，藉此观察动作波形。 

◆确认定电流的动作 

照片1是输出波形，VoutA是增幅器A的输出，VoutB是增幅器B的输出。增幅器A的输出波形当输入电压Vin大于±5Vpeak时，才开始输出超过Vin＝±5Vpeak的部分；相较之下增幅器B的输出波形是直到Vin＝±4Vpeak，Vout＝±4Vpeak才变成正弦波。 

◆cross over歪斜的发生与对策 

表4(b)的电路当电流一旦横切零点时，就会产生cross over歪斜，为调查发生原因，所以使Vin＝±1V藉此观察表4(b)的VOBa的波形，其结果如照片2所示，输出电压在0V附近急遽变化，造成这种现象主要原因是受到OP增幅器的through rate限制所致，因为若将10kΩ的电阻Rx插入并联的Zener Diode时，输出电压的变化会大幅减缓，其结果变成照片2(b)所示的正弦波，依此证实上述推论是正确无误。 

◆动态范围(dynamic range)  

表5是将表4(b)的两个Zener Diode短路(short)后，量测直流定电流特性所获得的结果，由表可知当负载阻抗RLB＝0Ω时，输出电流的动态范围最大，相反的若负载阻抗变大时，如表5(b)所示输出电流的动态范围会变窄。 

量测仪器的电流 

Loop应用 

根据以上实验结果可知若使用电流输出增幅器，各种寄生阻抗(impedance)即使与输出连接，该寄生阻抗值若不是非常大的场合，电流检测电阻两端的电压，会与增幅电路的输入电压呈一定比例。工业用量测仪器使用的4～20mA电流loop就是利用上述特性，如此一来4mA与20mA的电流就可以分别支持信号为0与full scale的需求，信号为0不是0mA主要理由是量测仪器会检测断线与故障等各种意外情况。此外它是属于电流输出电路，因此可以忽略配线的阻抗，表7是典型的电路，分别是将0～+10V变成4～20mA的转换电路，以及将4～20mA变成0～+10V的转换电路两种，为了始电路具备较大的动态范围，因此电流检测电阻RS一般都低于500Ω。 

直流基准电压电路 

何谓基准电压电路 

以往基准电压电路大多使用Zener Diode，最近则以shunt regulator居多。如果翻阅半导体组件的型录，通常基准电压温度系数数为ppm/℃的高性能IC才会被list up，因此进行高精度的A-D转换或是D-A转换，要求精密的基准电压时就可以轻易从中选用。一般用途的场合则使用shunt regulator IC TL431，或是同等级的产品，因为TL431可藉以band gape reference电路产生基准电压。 

实际IC与使用方法 

表8是与TL431 IC同等级的TA76431S shunt regulator的机能性等价电路与外形；表2是该组件的主要特性摘要。使用时必需注意下列两点： 

◆必需对阴极(cathode)施加1mA以上的电流。 

◆降低噪讯时可用0.003μF以下，5μF以上的并联电容。 

提到pass control似乎大部分的设计者会立刻连想到0.1μF，不过非常遗憾的是，如果使用0.1μF的电容却极易发振。此外虽然TA76431是低价高性能IC，不过在低电压化的时代潮流中，将基准电压减半却是各组件厂商惯用的手法，因此使用表1是TA76432S IC时，插入的并联电容必需大于0.022μF才能安定动作。