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各樣增幅電路中,，電壓－電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本篇將介紹各種增幅電路，包括反轉(zhuǎn)增幅電路,、非反轉(zhuǎn)增幅電路,、差動電路等，透過對定電流電路,、基準(zhǔn)電源電路,、電流電壓轉(zhuǎn)換電路的介紹，使讀者了解其特性及應(yīng)用,。

本篇將介紹各種增幅電路,，包括反轉(zhuǎn)增幅電路、非反轉(zhuǎn)增幅電路,、差動電路等,，透過對定電流電路、基準(zhǔn)電源電路,、電流電壓轉(zhuǎn)換電路的介紹,，使讀者了解其特性及應(yīng)用...

流轉(zhuǎn)換電路 

接著要介紹輸出阻抗為無限大的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，必需聲明的是,，本電路并非單極性電流電源而是雙極性電流電源,。 

基本增幅電路的變化Type 

表1(a)是將表1的TypeⅠ的輸入電壓，改成交流后的定電流電路，該電路最大缺點是必需從download提升負(fù)載,。 

表1(b)是反轉(zhuǎn)增幅電路,，該反轉(zhuǎn)增幅電路是將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成輸入電流iin提供給負(fù)載使用，輸入電壓Vin與輸入電流iin的關(guān)系可用式(1)表示： 

本電路同樣必需從download提升負(fù)載,，它與上述電路都屬于特殊用途電路,。 

差動增幅電路的變化Type 

表2(c)是前幾篇曾經(jīng)介的紹差動幅電路變化Type，基本上本電路是將增幅器與電流檢測電阻RS連接,，由于差動輸出電壓與RS的壓降VS相等，因此差動幅電路的負(fù)載阻抗會變成電流檢測阻抗,，此時輸出電流iout可用式(2)表示： 

本電路最大特征是可提供定電流流入給以ground為基準(zhǔn)之負(fù)載使用,。 

使用一個OP增幅器的電壓－ 

電流轉(zhuǎn)換電路 

表3是利用一個OP增幅器構(gòu)成的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，它的基本結(jié)構(gòu)與表2(b)完全相同,，因此輸出電流iout與表2(b)一樣,，都是利用式(2)計算。由于表2的R2＝R4,，因此表3的R2是用式(3)表示： 

換句話說這種型式的電路必需增加電流檢測電阻值,。表3的輸出阻抗(impedance)RO可用式(4)表示： 

由式(4)可知只要變更電阻R1～R4，就可以任意設(shè)定阻抗(impedance)R0,。在表2與表3是將信號輸入至反轉(zhuǎn)輸入,，并且將非反轉(zhuǎn)是當(dāng)作接地考慮，由于差動增幅電路是最基本的電路,，所以即使將信號輸入至反轉(zhuǎn)輸入,，或是將非反轉(zhuǎn)接地再將信號輸入至兩輸入都可動作。 

避免負(fù)載阻抗過大 

基本上負(fù)載阻抗RL不可以無限增加,，例如表3的負(fù)載阻抗RL必需滿足式(5)： 

VON：OP增幅IC的最大輸出電壓,。 

iOPK：輸出電流的峰值。 

而且R3＋R4＞＞RS,，R3＋R4＞＞RL,。 

定電流電路的輸出阻抗(impedance)看似無限大，然而實際上OP增幅IC并無法提供超過最大輸出電壓的輸出,，因此使用上必需根據(jù)式(5)的要求,，避免負(fù)載阻抗過大。此外最小輸出電流受到OP增幅器的輸入偏壓電流與offset電壓的限制,，因此要求低電流輸出的場合,，必需使用具備高精度FET輸入的OP增幅器。 

實際電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的動作 

◆實驗步驟 

利用表4所示的兩個電路進行實驗,，增幅器A(亦即表4(a)所示的電路)為一般反轉(zhuǎn)增幅電路,；增幅器B為表3的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路。為說明定電壓增幅電路與定電流增幅電路的動作差異，因此在OP增幅器與負(fù)載之間插入逆接的5V Zener Diode,，藉此觀察動作波形,。 

◆確認(rèn)定電流的動作 

照片1是輸出波形，VoutA是增幅器A的輸出,，VoutB是增幅器B的輸出,。增幅器A的輸出波形當(dāng)輸入電壓Vin大于±5Vpeak時，才開始輸出超過Vin＝±5Vpeak的部分,；相較之下增幅器B的輸出波形是直到Vin＝±4Vpeak,，Vout＝±4Vpeak才變成正弦波。 

◆cross over歪斜的發(fā)生與對策 

表4(b)的電路當(dāng)電流一旦橫切零點時,，就會產(chǎn)生cross over歪斜,，為調(diào)查發(fā)生原因，所以使Vin＝±1V藉此觀察表4(b)的VOBa的波形,，其結(jié)果如照片2所示,，輸出電壓在0V附近急遽變化，造成這種現(xiàn)象主要原因是受到OP增幅器的through rate限制所致,，因為若將10kΩ的電阻Rx插入并聯(lián)的Zener Diode時,，輸出電壓的變化會大幅減緩，其結(jié)果變成照片2(b)所示的正弦波,，依此證實上述推論是正確無誤,。 

◆動態(tài)范圍(dynamic range)  

表5是將表4(b)的兩個Zener Diode短路(short)后，量測直流定電流特性所獲得的結(jié)果,，由表可知當(dāng)負(fù)載阻抗RLB＝0Ω時,，輸出電流的動態(tài)范圍最大，相反的若負(fù)載阻抗變大時,，如表5(b)所示輸出電流的動態(tài)范圍會變窄,。 

量測儀器的電流 

Loop應(yīng)用 

根據(jù)以上實驗結(jié)果可知若使用電流輸出增幅器，各種寄生阻抗(impedance)即使與輸出連接,，該寄生阻抗值若不是非常大的場合,，電流檢測電阻兩端的電壓，會與增幅電路的輸入電壓呈一定比例,。工業(yè)用量測儀器使用的4～20mA電流loop就是利用上述特性,，如此一來4mA與20mA的電流就可以分別支持信號為0與full scale的需求，信號為0不是0mA主要理由是量測儀器會檢測斷線與故障等各種意外情況,。此外它是屬于電流輸出電路,，因此可以忽略配線的阻抗，表7是典型的電路,，分別是將0～+10V變成4～20mA的轉(zhuǎn)換電路,，以及將4～20mA變成0～+10V的轉(zhuǎn)換電路兩種,，為了始電路具備較大的動態(tài)范圍，因此電流檢測電阻RS一般都低于500Ω,。 

直流基準(zhǔn)電壓電路 

何謂基準(zhǔn)電壓電路 

以往基準(zhǔn)電壓電路大多使用Zener Diode,，最近則以shunt regulator居多。如果翻閱半導(dǎo)體組件的型錄,，通?；鶞?zhǔn)電壓溫度系數(shù)數(shù)為ppm/℃的高性能IC才會被list up，因此進行高精度的A-D轉(zhuǎn)換或是D-A轉(zhuǎn)換,，要求精密的基準(zhǔn)電壓時就可以輕易從中選用,。一般用途的場合則使用shunt regulator IC TL431，或是同等級的產(chǎn)品,，因為TL431可藉以band gape reference電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓,。 

實際IC與使用方法 

表8是與TL431 IC同等級的TA76431S shunt regulator的機能性等價電路與外形；表2是該組件的主要特性摘要,。使用時必需注意下列兩點： 

◆必需對陰極(cathode)施加1mA以上的電流。 

◆降低噪訊時可用0.003μF以下,，5μF以上的并聯(lián)電容,。 

提到pass control似乎大部分的設(shè)計者會立刻連想到0.1μF，不過非常遺憾的是,，如果使用0.1μF的電容卻極易發(fā)振,。此外雖然TA76431是低價高性能IC，不過在低電壓化的時代潮流中,，將基準(zhǔn)電壓減半?yún)s是各組件廠商慣用的手法,，因此使用表1是TA76432S IC時，插入的并聯(lián)電容必需大于0.022μF才能安定動作,。