電路構思/無源電流到電壓轉換器
電路構思： 透過電阻的電流使與電流成比例的電壓降出現在電阻兩端。
關於電路輸入，我們更喜歡電壓而不是電流作為輸入量。唯一的例外是，一些裝置具有電流輸入（電流計、雙極型電晶體、跨阻放大器、諾頓放大器等）。在這些情況下，我們在裝置之前連線一個電壓到電流轉換器；結果，它獲得了電壓輸入。
同樣地，我們更喜歡電壓而不是電流作為輸出量。唯一的例外是，許多裝置具有電流輸出（實際上所有有源電子元件 - 電流源、雙極型電晶體、電子管、場效應電晶體等）。在這些情況下，我們需要在裝置之後連線反向電流到電壓轉換器，以獲得電壓輸出。由於電流輸出裝置比電流輸入裝置更普遍，因此該電路比相反的電壓到電流轉換器更受歡迎。那麼，讓我們開始構建它吧！
與往常一樣，該電路有兩種版本 - 無源（“不好”）和有源（“好”）；這裡，我們從“不好”的無源版本開始。然後，在另一個專門介紹 “好”的有源版本 的故事中，我們將再次展示這兩個電路之間存在密切的相互關係：有源版本源於無源版本（有源版本包含無源版本，它只是一個改進的無源版本）。透過這種方式，我們將展示著名的電路從簡單到複雜的演變過程，一步一步地進行。
試圖找到 上一個故事 中“什麼導致什麼？”這個問題的答案，我們假設壓力導致流動。相反地，在我們日常生活中，有很多情況下流動導致壓力。在這些情況下，移動的東西遇到了障礙；結果，出現了壓力。以下是一些例子：機械（如果我們試圖用我們的手阻止一輛移動的汽車，它會對我們施加壓力），氣動（想象一個恆流泵將空氣透過一個封閉的管道環路 - 在中間夾緊軟管，您會看到在瓶頸處出現了壓力），社會（擋在某人的路上，您會體驗到“壓力”）等等。讓我們最後概括所有這些情況。
為了引起壓力，我們必須在流動路徑上設定障礙。在這種安排下，類似流動、類似壓力和類似阻礙的屬性像以前一樣相互關聯。通常，輸出的類似壓力的變數與輸入的類似流動的變數成比例；因此，我們可以說阻礙將類似流動的變數轉換為類似壓力的變數。
在電學中，我們可以觀察到類似的電流導致電壓現象：如果電流 IIN 透過電阻 R（圖 2），後者會阻礙（抵抗）電流；結果，電阻兩端出現與電流成比例的電壓降 VR = R.IIN。[1] 在這個電流供電電路中，電壓降 VR 充當輸出電壓 VOUT。唯一需要注意的是，電壓降 VR 不是由電阻產生的；它是輸入電流源內部的激勵電壓源產生的。我們可以說，這是歐姆定律的電流導致電壓公式：V = R × I
在這個電流供電電路中，電阻 R 決定了它兩端的電壓。我們通常說，電阻將電流 IIN 轉換為與之成比例的電壓 VOUT，或者它充當簡單的電流到電壓轉換器 - 一個具有傳遞比 k = VOUT/IIN [V/mA] 的線性電路。
如果我們用電壓條和電流環路（圖 2）來視覺化看不見的電量，我們可以比 V = R × I 更具吸引力地展示電路操作和歐姆定律。如果您還記得，在這個“幾何”表示中，電流環路的厚度與電流的大小成比例，電壓條的高度與相應的電壓或壓降成比例（另見一個互動式 動畫）。
然後，我們可以用圖解分析法（圖 3）來展示電路操作（和歐姆定律）。由於兩個 2 端器件（電壓源和電阻）兩端的電壓和透過它們的電流相同，我們可以將它們的 IV 曲線疊加在同一個座標系上。兩條線的交點是工作點 A；它表示電流 IA 和電壓 VA 的大小。
當我們改變輸入電流源的電流時，它的 IV 曲線會垂直移動（另見一個互動式 動畫）。結果，工作點 A 在電阻 R 的 IV 曲線上滑動；它的斜率表示轉換器的比例。
與以前一樣，我們還可以使用歐姆定律的引人入勝的圖形解釋，稱為電壓圖（線性電阻內部電阻薄膜上的電壓分佈，圖 4）。這裡，當輸入電流變化時，電阻薄膜上的區域性電壓會逐漸從左到右減小（另見另一個互動式 動畫）。在這種安排下，角度 α 表示輸入電流 IIN。
電流控制電壓源。 雖然自然界中存在足夠的恆壓源（例如，原電池和蓄電池），但如果我們擁有一個電流源而需要一個電壓源，我們可以將其構建出來。 為此，我們在電流源之後連線一個電流到電壓轉換器。
電壓源 = 電流源 + 電流到電壓轉換器
這意味著只需將一個簡單的電阻器 R 並聯連線到輸入電流源 IIN（諾頓定理在電力中的應用） - 圖 5。
如果負載是理想的（即，其具有無窮大的電阻），該複合電壓源將產生一個恆定的電壓 VOUT = R.I。 此電壓將影響電流，如果輸入電流源不完美（請參見 缺陷）。
複合無源轉換器： 同樣地，在常用的無源電路中，例如電容微分器、電感積分器、反對數轉換器等，電阻器充當電流到電壓轉換器。
V-to-V CR 微分器 = V-to-I C 微分器 + I-to-V 轉換器
V-to-V LR 積分器 = V-to-I L 積分器 + I-to-V 轉換器
V-to-V DR 反對數轉換器 = V-to-I D 反對數轉換器 + I-to-V
例如，圖 6 中的經典電容-電阻微分器是透過使用更簡單的電壓到電流電容微分器（一個裸露的電容器）和一個電流到電壓轉換器構建的。
在這些電路中，相應的 I-to-V 轉換器會引入一些壓降，這會影響激勵電壓 VIN。 結果，電流減小，出現誤差（請參見有關 缺陷 的部分）。
電晶體集電極電阻。 結型雙極電晶體是一種產生電流的器件。 因此，為了獲得電壓作為輸出，在電晶體級的輸出電路中連線了一個集電極電阻。 此技術的示例包括共射極放大器、共基極放大器和差動放大器、電晶體開關等。
電壓輸出電晶體 = 電流輸出電晶體 + I-to-V 轉換器
電晶體的集電極電阻充當電流到電壓轉換器。
由於壓降 VRc 是浮動的，通常使用與電源互補的壓降 VCE 作為輸出。 結果，這些電晶體電路是反相的（當輸入電壓升高時，輸出電壓下降，反之亦然）。
類似的技術用於在負反饋電流源的電晶體發射極獲得電壓。 此技術的示例包括所有使用串聯負反饋的電晶體電路。
電晶體的發射極電阻充當電流到電壓轉換器。
複合電流表。 如今的測量儀器（數字電壓表、模數轉換器等）主要是伏特表。 如果需要測量電流，我們會在伏特表之前連線一個簡單的電流到電壓轉換器（分流電阻）。 該電流表是一個由兩個元件組成的複合器件。
複合電流表 = 電流到電壓轉換器 + 伏特表
複合電流表的 shunt 電阻充當電流到電壓轉換器。
雖然有源版本是完美的電流測量解決方案，但常用的萬用表使用的是無源版本來測量大電流（請參見功率考慮因素）。
同樣地，使用負反饋構建的運算放大器電壓到電流轉換器（電壓控制恆流源）實際上是一個反向的電流到電壓轉換器。 我們可以將其作為電晶體版本（圖 9）或作為電流源的運算放大器版本（圖 10）來實現。 在這些電路中，我們在負反饋迴路中連線一個電流到電壓轉換器（裸露的電阻器 R）。 然後，為了比較與負載電流 I 成正比的壓降 VR 與輸入電壓 VZ，我們將這兩個電壓串聯連線，並將它們的差值 dV = VZ - VR 應用於調節元件（電晶體 T 的基極-發射極結或運算放大器 OA 的差分輸入）的輸入部分。 結果，調節元件透過改變其輸出電阻來建立電流 I = VR/R ≈ VZ/R，從而使電壓差 dV 為零。 這樣，輸出電流與輸入電壓成正比；整個電路充當電壓到電流轉換器。
您還記得我們在考慮相反的電壓到電流轉換器時，我們調查了輸入和輸出電阻嗎？ 讓我們對當前的電流到電壓轉換器做同樣的事情。 為了具體起見，假設有一個電阻性負載 RL。
輸入電阻是多少？ 首先，將一個電流表串聯連線到轉換器的輸入端，將一個伏特表並聯連線到轉換器的輸入端；然後，改變輸入電流以調查輸入電阻。 從輸入源的角度看，我們看到了兩個並聯連線的電阻器 - R 和 RL；因此，輸入電阻是 RIN = R||RL。 如您所見，它取決於負載電阻 RL。 不過，我們選擇 R << RL；因此，RIN ≈ R。
輸出電阻是多少？ 現在，將一個伏特表並聯連線到轉換器的輸出端，將一個電流表串聯連線到轉換器的輸出端；然後，改變負載電阻（電壓）並觀察電流以調查輸出電阻。 從負載的角度看，我們看到了兩個並聯連線的電阻器 - Re（輸入電路的等效電阻）和 R；因此，輸出電阻是 ROUT = Re||R。 如果輸入電流是由理想電流源產生的，則輸出電阻僅為 ROUT ≈ R。
問題。 不過，這裡出現了一個奇怪的矛盾。 一方面，電阻器 R 上的壓降 VR 對我們是有用的（這是我們需要的輸出電壓！）。 另一方面，這種壓降是麻煩的，因為它會削弱激勵電壓 VIN（這裡我們假設輸入電流是由電壓源 VIN 透過電阻器 Ri 產生的）。 現在，電壓差 VIN - VR 決定了電流，而不是電壓 VIN。 事實證明，測量電流會導致干擾！ 結果，電流 IIN 減少：我們該怎麼做才能解決這個矛盾？
如果您在互動式 Flash 動畫 [2] 中單擊“探索”按鈕，或者如果您轉到互動式 Flash 構建器 的“階段 2”，可以以更具吸引力的方式探索電路執行。[3]
經典補救措施。 我們可以透過降低電阻器 R 的電阻來減小其引起的誤差。 不過，輸出電壓也會降低，我們可能需要對其進行放大。 這樣做，我們也會放大噪聲...... 那麼如何解決這個問題呢？
尋找完美的補救措施。 顯然，我們必須解決這個矛盾，使電阻器 R 既存在又不存在！ 我們如何實現這種魔法呢？ 一個提示：記住當生活中出現糟糕的事情時，我們通常會怎麼做。 如果您無法找到補救措施，請訪問有關 有源電壓到電流轉換器 的相關故事以獲取答案。
無源電流到電壓轉換器比相反的 無源電壓到電流轉換器 更受歡迎。 它在電子學書籍和網路資源中都有很好的介紹。 以下是一些例子。
- ↑ 具有電壓輸出的基本無源轉換器 是一個關於產生電流的最簡單電子轉換器的教師故事。
- ↑ 無源電流到電壓轉換器 是一個揭示無源版本哲學的動畫 Flash 教程。
- ↑ 運算放大器電路構建器 (動畫哲學) 是一個互動式 Flash 教程，演示瞭如何將任何無源轉換器轉換為有源轉換器。
電路理念 (本書)
無源電壓到電流轉換器揭示了相反無源電路背後的基本原理。
運算放大器反相電壓到電流轉換器的再發明揭示了相反有源電路背後的基本原理。
電流到電壓轉換器介紹了電路的無源和有源版本。
電壓到電流轉換器介紹了“映象”電路的無源和有源版本。
電氣和電子工程師如何使用歐姆定律是關於電氣屬性之間關係的有趣故事。
電流到電壓轉換器的再發明是一個類似的電路故事，但結構更好，更易於瀏覽。
跨阻放大器的再發明是一個專門針對有源版本的 story。
我們如何構建一個運算放大器電流表？是關於更簡單的有源版本類似的故事。
電阻器和 電晶體表明集電極電阻可以作為簡單的電流到電壓轉換器（圖解和動畫效果很好）。