电压转电流的电路常见于工业场合,接下来介绍其工作原理与设计示例。
1.高边V/I电路原理
这种高压侧电压电流转换电路可以为接地负载提供良好可调电流。 此电路结构采用两级结构,一级为OPA+NMOS,将VIN转化为电源参考信号来驱动第二级OPA,第二级OPA控制PMOS的栅极调节负载电流。
电路的V-I传递函数基于输入电压VIN和三个感应电流的电阻RS1、RS2和RS3之间的关系。
VIN和RS1之间的关系将决定流过设计第一阶段的电流:
VRS1=VIN
从第一级到第二级的电流增益基于RS2和RS3之间的关系:
IRS2≈IRS1, VRS3≈VRS2, ILOAD≈IRS3
最终负载电流公式:
2.设计案例:
设计指标:5V供电,VIN=0~2V; Vout=4.5V/0~100mA,效率98%
•电源电压:5 Vdc
• 输入: 0 ~2 Vdc
• 输出: 4.5V/(0 ~100 )毫直流
• 效率:98%
• 增益误差:0.1%
a.设计RS1 :
一级电路对负载不提供功率,因此一级电路电流产生功耗直接影响系统效率。 为了达到98.5%的效率目标,同时为运算放大器的静态电流留出空间,第一级的功耗将限制在满量程时输出电流的1%。 因此,当输出为100mA满量值时,设计应将第一级IRS1中的电流设置为1mA。
VRS1=VIN=2V
RS1=VIN/IRS1=2V/1mA=2kΩ
IRS2≈IRS1=1mA
b.设计RS2/RS3:
电路的第二级产生驱动负载的输出电流源。 由于A2的IN+≈IN-,因此VRS3≈VRS2,考虑5V供电,需要Vout=4.5V,因此满量程时需要使VRS3小于500mV,假设Q2压降0.3V,则VRS3=470mV
RS2=VRS3/IRS2=470mV/1mA=470Ω
RS3=VRS3/ILOAD=470mA/100mA=4.7Ω
c.运放补偿设计:R2/R3/C6/R4/R5/C7
第一和第二阶段都需要补偿组件,以确保适当的设计稳定性。 运放输出驱动容性负载(MOS寄生Cgs)容易产生输出震荡,本补偿之后的电路结构是经典的运放双反馈回路,具体可以参考如下双反馈的设计。
d.器件选择:
1.运放:运放推荐选择Low offset voltage, low temperature drift的运放。
2.MOSFET: 需要确保OPA可以适当控制栅极,推荐低阈值电压VGS(th),另外VGS,GSDS,ID不超额定值。
3.电阻(精度):直接影响输出电流精度的是作为传递函数的三个电阻RS1,RS2,RS3。 为了满足0.1% FSR的增益误差设计目标,这些电阻的容差选择为0.1%。 第一级的电流在第二级中乘以RS2与RS3的比值。 因此,第一阶段的准确性是非常关键的,因为第二阶段的误差会成倍增加并传递到输出中。 因此,更高精度的设计可能需要更低的RS1电阻公差。 (本设计中的其他无源元件可以选择1%或更大,因为它们不会直接影响本设计的传递函数。 )
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