高邊 V/I 電路原理

高邊電壓電流轉(zhuǎn)換電路能夠出色地為接地負(fù)載提供可調(diào)節(jié)的電流。該電路采用兩級設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，第一級由運(yùn)算放大器（OPA）和 N 溝道金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（NMOS）組成，其作用是將輸入電壓 VIN 轉(zhuǎn)換為以電源為參考的信號，以此來驅(qū)動(dòng)第二級的運(yùn)算放大器。第二級的運(yùn)算放大器則通過控制 P 溝道金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（PMOS）的柵極，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流的調(diào)節(jié)。
電路的電壓 - 電流（V - I）轉(zhuǎn)移函數(shù)與輸入電壓 VIN 以及三個(gè)用于感應(yīng)電流的電阻 RS1、RS2 和 RS3 之間的關(guān)系密切相關(guān)。VIN 和 RS1 之間的關(guān)系決定了理論上第一階段的電流，即 VRS1 = VIN。而從第一級到第二級的電流增益則取決于 RS2 和 RS3 之間的關(guān)系，其中 IRS2 近似等于 IRS1，VRS3 近似等于 VRS2，負(fù)載電流 ILOAD 近似等于 IRS3。最終的負(fù)載電流公式便是基于這些關(guān)系推導(dǎo)得出。

設(shè)計(jì)案例

設(shè)定目標(biāo)為 5V 供電，輸入電壓 VIN 在 0 - 2V 之間變化，輸出電壓 Vout 為 4.5V，輸出電流范圍是 0 - 100mA，且效率要達(dá)到 98%。具體參數(shù)如下：

• 電源電壓：5V 直流電
• 輸入電壓范圍：0 - 2V 直流電
• 輸出電壓：4.5V/0 - 100mA 直流電
• 效率：98%
• 增益誤差：0.1%

設(shè)計(jì) RS1

需要注意的是，第一級電路并不直接為負(fù)載提供功率，但其產(chǎn)生的電流耗能會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。為了確保達(dá)到 98.5% 的效率目標(biāo)，同時(shí)為運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流留出足夠的空間，我們將第一級的功耗限制在滿量程輸出電流的 1%。因此，當(dāng)輸出為 100mA 滿量時(shí)，應(yīng)將第一級 IRS1 中的電流設(shè)計(jì)為 1mA。根據(jù)公式 VRS1 = VIN = 2V，可計(jì)算出 RS1 = VIN ÷ IRS1 = 2V ÷ 1mA = 2KΩ。

設(shè)計(jì) RS2/RS3

電路的第二級主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出電流。由于運(yùn)算放大器 A2 的同相輸入端（IN +）電壓近似等于反相輸入端（IN -）電壓，所以 VRS3 近似等于 VRS2?？紤]到采用 5V 供電，且希望 Vout = 4.5V，在滿量程時(shí)需要使 VRS3 在 500mV 以下。假設(shè) Q2 的壓降為 0.3V，那么 VRS3 為 470mV。由此可計(jì)算出 RS2 = VRS3 ÷ IRS2 = 470mV ÷ 1mA = 470Ω，RS3 = VRS3 ÷ ILOAD = 470mV ÷ 100mA = 4.7Ω。

運(yùn)放補(bǔ)償設(shè)計(jì)：R2/R3/C6/R4/R5/C7

為了保證電路能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在這兩個(gè)階段都需要加入補(bǔ)償組件。當(dāng)運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載（如 MOS 管的寄生電容 Cgs）時(shí)，容易產(chǎn)生輸出振蕩。而經(jīng)過補(bǔ)償后的電路結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的運(yùn)放雙反饋回路，具體可參考相關(guān)的雙反饋設(shè)計(jì)。

器件選擇

• 運(yùn)算放大器：最好選擇具有低失調(diào)電壓和低溫度漂移特性的產(chǎn)品，這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和精度。
• MOSFET：要確保運(yùn)算放大器能夠有效控制其柵極，推薦選擇低閾值電壓 VGS (th) 的 MOSFET，同時(shí)要保證 VGS、GSDS、ID 等參數(shù)不超過額定值，以避免器件損壞。
• 電阻選用（精確度要求）：作為電路轉(zhuǎn)移函數(shù)關(guān)鍵組成部分的三個(gè)電阻 RS1、RS2、RS3，對輸出電流的精確度有著重大影響。如果要滿足 0.1% FSR 的增益誤差設(shè)計(jì)目標(biāo)，這幾塊電阻的容差最好選擇 0.1%。因?yàn)榈谝患夒娏髟诘诙墪?huì)乘以 RS2 和 RS3 的比值，所以第一階段的設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度尤為重要，一旦第一階段出現(xiàn)誤差，在第二階段會(huì)被放大并傳遞到輸出端。因此，如果想要進(jìn)一步提高精度，可能還需要降低 RS1 電阻的公差。