在電子電路設(shè)計領(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，我們將詳細介紹一個基于 TI 參考設(shè)計的電壓轉(zhuǎn)電流電路，該電路的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn) 5V 電源供電、0 - 2V 輸入以及 0 - 100mA 輸出。　　設(shè)計目標(biāo)

　　本電路的設(shè)計目標(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)計可以滿足許多實際應(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，每一級都有其獨特的功能和作用。
　　第一級：電流吸收（Current Sink）
　　第一級使用運放和 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)計為最大 1mA，即當(dāng)整個電路滿量程電壓輸入 2V、電流輸出 100mA 時，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，同時運放的靜態(tài)電流也會消耗能量。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)動負載。第二級運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” 原理進行分析。為了將電源電壓都加在負載電阻上面，Rs3 需要盡可能的小。在滿量程時，我們可以根據(jù)電路的具體參數(shù)和設(shè)計要求來確定 Rs3 的取值。

　　圖為第二級電路示意
　　補償組件
　　第一級和第二級都需要補償部件以確保電路的設(shè)計穩(wěn)定性。第一級的 R2、R3、C6 以及第二級的 R4、R5、C7 都是用于補償電路的。
　　運放輸出端連接 MOS 管的電阻是隔離電阻，它的作用是將運放與 MOS 管柵極的容性負載（寄生電容）隔離，避免容性負載對運放輸出產(chǎn)生影響。
　　MOSFET 的增益在高頻下通過運算放大器輸出端直接提供反饋到運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 時間常數(shù)。
　　補償元件的選項和取值不是固定不變的，需要通過不斷的實驗來改進。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組件，電路將不穩(wěn)定，后續(xù)的設(shè)計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，并觀察運算放大器的輸出和負載電流。開始增加運算放大器輸出和 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。在實際設(shè)計中，可先使用 SPICE TINA - TI 仿真工具進行模擬，以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。
　　圖為補償組件示意
　　器件選型
　　運放
　　運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 運放。軌對軌輸出運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，(Vgs (th)) 要小，便于運放控制。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，因為它們的精度和溫漂會直接影響電路的性能和穩(wěn)定性。
　　PCB 設(shè)計
　　在 PCB 設(shè)計過程中，需要注意 PCB 走線電阻會影響本設(shè)計的精度，尤其是當(dāng)電流輸出值比較大的時候，寄生電阻會帶來更大的誤差。因此，所有 3 個電流取樣電阻到運放都應(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，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
　　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)計以獲得更高的電壓或更大的輸出電流時，需要注意確保設(shè)計中的 MOSFET 和其他部件不會超過其最大電氣參數(shù)，否則可能會導(dǎo)致器件損壞或電路性能下降。