電路創意/運算放大器反向電壓電流轉換器
電路創意：運算放大器補償負載造成的外部損耗，向輸入電壓源新增與它在負載上損失的電壓一樣多的電壓。
在這個故事中，我們開始揭示主動電壓電流轉換器的秘密，別名電壓控制電流源(VCCSs)或跨導放大器。讓我們從最簡單、最直觀的運算放大器反向電壓電流轉換器開始。
首先看看“糟糕”的被動版本(圖 1 的頂部)，然後看看電壓電流轉換器的“良好”主動版本(圖 1 的底部)。沒有必要耍聰明:)，就能看到主動版本包含被動版本 + 一個根據一些強大理念連線的運算放大器。
這兩個電路之間似乎存在著密切的聯絡：也許，主動版本來自被動版本，也許主動版本只是改進的被動版本？如果是這樣，被動電路是如何轉變為主動電路的？這種連線的理念是什麼？運算放大器在這個電路中起什麼作用？讓我們嘗試透過跟蹤被動電路演變為主動電路的過程來回答這些問題。
我們已經知道為什麼簡單的電壓電流轉換器(以及所有被動電路)是不完美的電路 - 因為它的輸出電流取決於負載上的電壓降 VL(圖 2)。在這種安排中，有效電壓差 VIN - VL 決定電流 IOUT，而不是僅僅由電壓 VIN 決定；因此，電流會減小。您可以透過更直觀的方式探索電路操作，只需點選互動式 Flash動畫 [1]中的“探索”按鈕，或者轉到互動式 Flash構建器中的第 2 階段。 [2]
我們可以從兩個相反的角度看待電壓 VL。從輸入電壓源的角度來看，電壓降 VL 是有害的；因此，輸入源“希望”這種電壓不存在。相反，從負載的角度來看，VL 是有用的電壓降，因為它通常用作輸出量；因此，負載“希望”這種電壓存在，甚至儘可能地高。
顯然，這裡存在矛盾 - 電壓降 VL 必須存在，同時又不能存在。我們如何解決這種矛盾？
回想一下，我們在現實生活中解決問題時，如果遇到他人造成的干擾，我們會怎麼做。經典的補救措施是消除干擾的原因。只是，並非總能做到這一點；然後，我們使用另一種奇特的解決方案 - 我們用等效的“反擾動”消除干擾。為此，我們使用一個額外的電源(能量)，它透過僅補償由不希望的外部量引起的區域性損耗來“幫助”我們(主電源)。這種技術與持續浪費額外能量有關，但結果為零(虛擬地 [3])；所以，我們更願意在富有且懶惰的情況下使用它:)。以下是一些有趣的例子。
如果有人在冬天打破了我們的窗戶，我們可以開啟暖氣(而不是僅僅修理破窗戶)；在夏天，我們開空調。如果窗戶變髒，我們可以開啟房間裡的額外燈泡來“幫助”太陽(而不是僅僅清潔窗戶)。當一輛汽車與我們的汽車發生碰撞時，保險公司會賠償對方汽車造成的損失(而不是僅僅防止碰撞)。如果有人(例如，我們的妻子或丈夫)從我們的賬戶中取錢，我們可以開始往賬戶裡存錢來恢復金額(而不是僅僅責罵她/他:) 當我們去山裡時，我們會儲備食物、水、藥物等，以便在將來需要時使用(而不是僅僅不去山裡：)。在所有這些情況下，
我們已經準備好了(以防萬一)“備用”資源，以便在需要補償意外外部損失時使用它們。.
現在，讓我們把這個強大的想法付諸實踐。電阻 R 上的電壓降 VL 是有害的；所以，按照上面的方法，我們必須用一個“反電壓” -VL 來消除它。換句話說，我們必須在輸入（激勵）電壓源 VIN 上增加電壓，其增加量與負載 L 上損失的電壓量相同。
理解真實電子元件功能的最佳方式就是讓它們工作。所以，讓我們先構建一個“人工控制”的有源電路，其中一個人（我可以做這個苦力：）產生“反電壓”，而你改變輸入電壓。為此，我首先在負載 L 的串聯位置放置一個額外的輔助電池 BH（圖 3）。然後，為了比較兩個電壓，我在點 A 連線一個零指示器，它顯示比較結果 VA = VH - VL。看看這有多簡單。
在負載的串聯位置新增一個可調電池，使其電壓等於負載上的電壓降！
探索電路
[edit | edit source]一開始，假設沒有輸入激勵電壓 VIN（再次參見上面的圖 3）。因此，電路中沒有電壓降和電流；零指示器的指標指向零位置。我很高興，因為沒什麼事可做：）
如果你增加輸入電壓 VIN，電流就會開始流過負載。結果，負載上會出現電壓降 VL，點 A 的電位 VA 開始上升（形象地說，輸入源“拉”點 A 向正電壓 VIN 移動）。不過，我觀察到指標向右偏轉，並且非常不情願地：立即透過降低補償電壓 VH 來反應。現在，它“拉”點 A 向負電壓 -VH 移動，直到成功將電位 VA 歸零（虛擬地）。請注意，兩個電壓源串聯連線，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它們的電壓相加（假設我們沿順時針方向遍歷迴路）。關於接地，它們具有相反的極性。
透過這種方式，輸入電壓源得到了“幫助”；其電壓增加了與負載上損失的電壓量相同的電壓（VL）。結果，“有害”電壓 VL 消失；點 A 的電壓為零；它表現得像一個虛擬地。無源電壓-電流轉換器被“欺騙”了：它有一種錯覺，認為沒有連線負載；它“認為”其輸出短路了。
你可以想象，當你在接地以下降低輸入電壓 VIN 時會發生什麼。與上面一樣，我會根據零指示器指標調整電池電壓，以便始終有 VH = -VL。在電子學、技術和我們的世界中，這種行為被稱為負反饋（這是一個偉大的現象）。
運算放大器反相電壓-電流轉換器
[edit | edit source]構建電子電路
[edit | edit source]現在，讓我們嘗試讓一些電子裝置做這個苦力；運算放大器似乎是一個不錯的選擇。為此，我們將運算放大器的輸出連線到輔助電壓源的位置，並將運算放大器的輸入連線到點 A，以便運算放大器“幫助”輸入源（運算放大器的輸出電壓和輸入電壓相加）。
探索電子電路
[edit | edit source]一開始，就像上面一樣，假設沒有輸入激勵電壓 VIN。因此，電路中沒有電壓降和電流。運算放大器的反相輸入和非反相輸入之間幾乎沒有電壓差；現在，它“高興”了，因為沒什麼事可做：）
正輸入電壓
[edit | edit source]如果輸入電壓 VIN 增加，輸出電流 IOUT 就會開始流過負載 L。結果，負載 L 上會出現電壓降 VL，點 A 的電位 VA 開始上升（輸入源“拉”點 A 向正電壓 VIN 移動）。不過，運算放大器“觀察”到這一點，並且非常不情願地：立即做出反應：它降低其輸出電壓，並“吸取”電流 IOUT，直到成功將電位 VA 歸零。形象地說，運算放大器“拉”點 A 向負電壓 -V 移動，以建立一個虛擬地。它透過將負電源 -V 產生的部分電壓與輸入電壓 VIN 串聯連線來實現這個神奇的操作。像上面一樣，兩個電壓源串聯連線，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它們的電壓相加。關於接地，它們具有相反的極性。
負輸入電壓
[edit | edit source]如果輸入電壓 VIN 在接地以下下降，輸入電流 IOUT 就會開始流過負載 L，方向相反。結果，負載 L 上會出現電壓降 VL，點 A 的電位 VA 開始下降（現在，輸入源“拉”點 A 向負電壓 -VIN 移動）。不過，運算放大器“觀察”到這一點，並且立即做出反應：它提高其輸出電壓，“推”出電流 IOUT，直到成功將電位 VA 歸零（現在，運算放大器“拉”點 A 向正電壓 +V 移動，以建立一個虛擬地）。它透過將正電源 +V 產生的部分電壓與輸入電壓 VIN 串聯連線來實現這個神奇的操作。兩個電壓源再次串聯連線，方向相同（+ VIN -，+ VH -），因此它們的電壓相加。關於接地，它們具有與上面相同的相反極性。
結論。 在運算放大器電壓-電流轉換器的電路中，運算放大器向輸入源的電壓增加了與它在外部負載上損失的電壓量相同的電壓。運算放大器補償了由這個外部負載引起的區域性損失（相反，在相反的運算放大器反相電流-電壓轉換器中，運算放大器補償了內部電阻引起的損失）。
運算放大器 V-to-I 轉換器的應用
[edit | edit source]一旦我們建立了一個完美的電壓-電流轉換器，我們就可以將其用作構建塊來構建更復雜的複合電路。為此，我們只需將各個構建塊按順序連線起來。
保持在電路輸出之後
[edit | edit source]首先，我們可以將運算放大器電壓-電流轉換器連線在具有電壓輸出的電路之後；因此，我們使其產生電流。例如，我們已經知道如何構建一個簡單的電流源
簡單電流源 = 電壓源 + 無源 V-to-I 轉換器
現在，我們可以構建一個完美的運算放大器恆流源（圖 6）
運算放大器電流源 = 電壓源 + 運算放大器 V-to-I 轉換器
其輸出電流不依賴於負載電阻（更一般地說，不依賴於負載上的電壓降）。
然後，我們可以在具有電流輸入的電路之前連線運算放大器電壓到電流轉換器；這樣我們就讓它們感知電壓。透過應用這種技術，我們可以組裝著名的電容積分器（圖 7）、電感微分器、二極體對數轉換器等有源電路。
運算放大器 RC 積分器 = 運算放大器 V-to-I 轉換器 + I-to-V C 積分器
運算放大器 RL 微分器 = 運算放大器 V-to-I 轉換器 + I-to-V L 微分器
運算放大器 RD 對數轉換器 = 運算放大器 V-to-I 轉換器 + I-to-V D 對數轉換器
在所有這些電路中，跨越各個 I-to-V 轉換器的電壓降不會引入誤差（確切地說，它引入了誤差，但運算放大器會消除它）。
運算放大器 V-to-I 轉換器是一個有源電路；所以，我們可以預期它會放大。實際上，它充當一個線性電路，其傳輸比 k = IOUT/VIN [mA/V] 或 毫西門子 具有電導率的維度。這就是為什麼它們經常稱之為 跨導放大器（跨導是“傳輸電導”的縮寫）。然而，讓我們嘗試回答這個問題，“運算放大器 V-to-I 轉換器是一個放大器嗎？”
為了回答這個問題，讓我們透過連續連線一個運算放大器電壓到電流轉換器（R1 和 OA）和一個作為簡單電流到電壓轉換器的裸電阻 R2 來組裝著名的運算放大器反相放大器（圖 8）。
運算放大器反相放大器 = 運算放大器 V-to-I 轉換器 + I-to-V 轉換器
請注意，電阻 R2 在這裡充當圖 5 中的負載 L）。如果輸出功率大於輸入功率，則該電路將放大功率。因此，輸出電壓必須高於輸入電壓，因為電流是相同的。
最後讓我們比較這兩個版本，從研究輸入和輸出電阻開始（為了具體，讓我們假設一個裸的電阻負載 RL）。
輸入電阻。首先，將電流表串聯連線到轉換器的輸入，將電壓表並聯連線到轉換器的輸入；然後改變輸入電壓以研究輸入電阻。也許您還記得，在被動版本中，從輸入源一側看，我們看到兩個串聯連線的電阻器；因此，輸入電阻為 RIN = R + RL。現在，我們只看到電阻 R，因為運算放大器已經“中和”了負載電阻 RL。
太棒了，負載消失了！因此，輸入電阻為 RIN = R，更有趣的是，它不依賴於負載電阻 RL！在這種情況下，運算放大器“幫助”輸入電壓努力改變電流。
輸出電阻。現在，將電壓表並聯連線到轉換器的輸出，將電流表串聯連線到轉換器的輸出；然後，改變負載電阻（電壓）並觀察電流以研究輸出電阻。請記住，在被動版本中，從負載一側看，我們只看到電阻 R；因此，輸出電阻為 ROUT = R。現在，情況更加有趣：當我們改變負載電壓時，電流保持穩定！但這為什麼呢？
在這種情況下，運算放大器“抵制”負載努力改變電流。因此，電壓會發生變化（甚至顯著變化），而電流保持不變；所以，輸出差分電阻趨於無窮大。
工作範圍。運算放大器會執行所有這些“魔法”，直到它能夠改變其輸出電壓（即，直到它位於活動區域）。當它到達電源軌時，運算放大器會飽和，魔法就會停止，幾乎理想的有源電路又變成了一個不完美的被動電路：（。他們將負載的最大電壓降稱為 順從電壓。請注意，被動版本沒有這樣的問題；它始終是不完美的。
接地連線。在被動版本中，負載連線到（真實）接地，而在有源版本中，負載是“浮動的”。更準確地說，它連線到接地，但這是一種虛擬接地。在某些情況下，這已經足夠了，但在其他情況下則不然。
反相配置不是唯一可能的有源電壓到電流轉換器。還有一些其他技術，在某些方面，超越了所考慮的理念。現在讓我們簡要地考慮一下這些技術；然後，我們將為它們專門撰寫電路故事。
負反饋。嚴格來說，這裡討論的反相配置中存在負反饋。只是，負反饋不是為了維持輸出電流；它只是為了維持補償“反電壓”。在這種安排中，運算放大器實際上並不關心電流幅度；它只關心虛擬接地幅度。在流行的實現中——非反相配置，運算放大器（而不是輸入電壓源）產生透過恆定電阻的輸出電流。然後，運算放大器將跨越電阻 R 的“複製”電壓降 VR 維持為等於“原始”輸入電壓降 VIN。簡單地說，運算放大器將它的輸出電壓增加負載電壓的值，從而對其進行補償。因此，輸出電流只取決於 VIN 和 R；它不取決於所有干擾。[4][5] 透過新增外部電晶體或使用內部運算放大器輸出電晶體[6]，這些電路可以驅動接地負載。只是，負反饋配置有兩個大錯誤：第一個是由運算放大器有限增益引起的；第二個是由共模增益引起的。
自舉。著名的男爵芒豪森的理念可以幫助我們在不使用負反饋的情況下實現相同（甚至更好）的結果。相應的電路實現被稱為改進的霍蘭德電流源；沒有人知道為什麼摩托羅拉在 1973 年將它命名為帶反饋的電流源[7]？！這個理念和上面一樣簡單：運算放大器將它的輸出電壓增加負載電壓的值，從而對其進行補償（與反相配置進行比較，在反相配置中，運算放大器產生等於負載電壓降的輸出電壓，並將其新增到輸入電壓）。只是，它“盲目”地執行這個魔法，而不使用負反饋。
負電阻。著名的霍蘭德電流源電路利用了這個理念；[8][9] 摩托羅拉在 1973 年將其命名為差分輸入運算放大器電流源[7]。從一個角度來看，它由一個負電阻 -R 與一個作為 被動電壓到電流轉換器 的正電阻 R 並聯連線組成。這種連線的結果是，負電阻“中和”（吸收）正電阻，有效差分電阻（內部電源的電阻）是無窮大的。[10] 電壓到電流轉換器表現為一個完美的電流源，它驅動接地負載。只是，這些電路不像那些利用負反饋的電路那麼穩定。
運算放大器反相電壓到電流轉換器不像相關的 運算放大器非反相電壓到電流轉換器 和相反的 運算放大器反相電流到電壓轉換器 那樣流行。實際上，它幾乎存在於所有關於運算放大器電路的電子學書籍中，但他們沒有區分它。因此，很少有資源以隱含的方式而不是顯式的方式呈現它。以下是其中一些資源。
- ↑ 被動電壓到電流轉換器 是一個動畫的Flash教程，揭示了被動版本的理念。
- ↑ 運算放大器電路構建器 (電影理念) 是一個互動式的Flash教程，展示瞭如何將任何被動轉換器轉換為有源轉換器。從右側的庫中選擇電阻 R2 以構建一個有源電壓到電流轉換器。
- ↑ 如何建立虛擬地？揭示了運放反向電壓電流轉換器所基於的偉大電路現象的秘密。
- ↑ 透過負反饋保持恆定電流展示瞭如何透過應用負反饋產生恆定電流。
- ↑ 電壓電流轉換 - 應用筆記 13 - 考慮了各種電壓控制電流源。
- ↑ 運算放大器可以提供或吸收電流利用了一個強大的想法 - 使用運放電源引線作為輸入/輸出端。
- ↑ a b 運算放大器電流源的分析與設計是對霍蘭電流源極其正式和枯燥的介紹（它在那裡被重新命名為差分輸入運算放大器電流源）。
- ↑ 使用運算放大器的阻抗和導納變換 - 也許首次提到了霍蘭電路（非常棒的資料！）。
- ↑ 用於接地負載的霍蘭電流源揭示了這個著名電路背後的基本思想。
- ↑ 考慮用於單極性非反向設計的“Deboo”積分器（參見文章後的評論）。
電路理念（本書）
無源電壓電流轉換器揭示了無源版本背後的基本思想。
無源電流電壓轉換器展示了“映象”電路無源版本背後的基本思想。
運算放大器反向電流電壓轉換器揭示了“映象”電路有源版本背後的基本思想。
電壓電流轉換器介紹了電路的無源和有源版本。
虛擬地仔細審查了具有並聯負反饋的電路背後的基本現象。
如何將無源電壓電流轉換器轉換為有源轉換器是一個類似的故事。
運放反向電流源背後的思想是什麼？ - 透過使用電壓條和電流環路揭示了“幫助”思想。
運算放大器反向加法器是一個動畫教程，它使用運算放大器反向電壓電流轉換器來構建著名的運算放大器求和電路。
並聯負反饋電路的秘密揭示了這類電路的哲學（運算放大器反向電壓電流轉換器屬於這類電路）。
實驗 2：基本儀器（電壓電流轉換器）展示了該電路的一個有趣版本，其中運放由一個電晶體緩衝，負載接地。
Tietze, U 和 Schenk, Ch. “Halbleiter-Schaltungstechnik”，第 12.3.1 章。Springer-Verlag 柏林海德堡紐約，1980 年。