電路創意/無源電壓電流轉換器
電路創意： 施加在電阻器上的電壓使與電阻器成比例的電流流過電阻器。
您是否注意到，在低壓電子裝置中，電壓和電流這兩個電氣屬性攜帶的是資訊而不是能量？而且，由於某些原因，我們更傾向於使用電壓作為資料載體？因此，大多數電子電路都具有電壓輸入和輸出。
不幸的是 :)，也存在電流輸入和電流輸出裝置。例如：電流表只有電流輸入，電流源只有電流輸出，雙極型電晶體具有電流輸入和電流輸出，電子管和場效電晶體具有電壓輸入和電流輸出，跨阻放大器和諾頓放大器具有電流輸入和電壓輸出，等等。在這些情況下，我們需要裝置將攜帶資訊的電氣屬性從電壓轉換為電流，反之亦然。
在這個故事中，我們開始揭示著名的（像歐姆定律一樣）電壓電流轉換器的秘密，它將電氣資料載體從電壓更改為電流（圖 1）。與往常一樣，這種電路有兩種版本 - 無源的（“壞的”）和有源的（“好的”）。這裡，我們從“壞的”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，我們將展示這兩個版本並非獨立的。相反，這兩個電路之間存在密切的相互關係：有源版本源自無源版本（有源版本包含無源版本，它只是改進的無源版本）。這樣，我們將展示這個著名電路的演變，逐步地，從簡單到複雜。
您是否曾經問過自己關於我們世界中因果關係的問題：“先有雞還是先有蛋？”（困擾著從遙遠的過去到現在的哲學家 :)）以及，“是什麼導致了什麼 - 壓力導致流動還是流動導致壓力？” 由於我們很難回答這個基本問題，我們可能只假設兩種可能的答案。
好吧，讓我們首先從更流行的假設開始，即壓力導致流動。實際上，我們可能會在生活中觀察到很多情況，其中類似壓力的量使類似流動的量透過阻礙物運動。以下是一些示例：氣動（想象一個恆壓泵將空氣透過一個封閉的管道環路移動 - 您可以使用老式空氣清淨機進行這種有趣的實驗，它透過由波紋軟管制成的封閉環路吸入和吹出空氣），水（記得著名的連通器，其中兩個容器之間的高度差會導致水流動），熱（如果我們在金屬棒的一端加熱，熱量就會開始流向另一端），機械（想象一個電機驅動皮帶 - 能量沿著這條“電路”流動），資訊（有人給另一個人講故事 - 資料透過電話線流動），金錢（富人給窮人錢 :)），等等。如果您需要更多示例，只需環顧四周，您就會發現很多壓力導致流動（更一般地，差異導致運動）的類比。讓我們最終概括所有這些情況。
如果我們對阻礙物施加壓力，就會開始流動。在這種情況下，類似壓力、類似流動和類似阻礙物的屬性是相互關聯的。通常，輸出類似流動的變數與輸入類似壓力的變數成正比；因此，我們可以說阻礙物將類似壓力的變數轉換為類似流動的變數。
在電學中，我們可能會問自己上述哲學“雞或蛋”問題的電氣版本，“在歐姆定律中，是什麼導致了什麼 - 電壓導致電流還是電流導致電壓？”[1] 再次，由於我們很難回答這個基本問題，我們可能假設兩種可能的答案。
在這個故事中，我們將從更流行的假設開始，即在由電壓源供電的最基本歐姆電路中，電壓導致電流（圖 2）。我們知道，如果我們對電阻器 R 施加電壓 VIN，就會有與之成比例的電流 IOUT = VIN/R 開始流過電路。我們可以說，這是歐姆定律的電壓導致電流公式：I = V/R。
在這個電壓供電電路中，電阻器 R 決定流過它的電流。我們通常說電阻器將電壓 VIN 轉換為與之成比例的電流 IOUT，或者它用作簡單的電壓電流轉換器 - 具有傳輸比 k = IOUT/VIN [mA/V] 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氣量，我們可以以比 I = V/R 更具吸引力的方式展示電路操作和歐姆定律。它們基於著名的水塔和魚缸水力類比。在這個“幾何”演示中，電壓條的高度與相應的電壓（降落）成正比，電流環路的厚度與電流的大小成正比（另請參見互動式動畫）。
然後，我們可以用圖解法來展示電路工作原理（以及歐姆定律） - 圖 3。由於兩個 2 端元件（電壓源和電阻）上的電壓和電流相同，我們可以將它們的 IV 曲線疊加到一個公共座標系上。兩條線的交點是 *工作點* A；它代表電壓 VA 和電流 IA 的電流幅度。當我們改變輸入電壓源的電壓 VIN 時，它的 IV 曲線會水平移動（參見互動式 動畫）。因此，工作點 A 在電阻 R 的 IV 曲線上滑動；它的斜率代表轉換器的比例。
最後，我們可以用另一種吸引人的歐姆定律圖形解釋 - 電壓圖（線性電阻內部電阻薄膜上的電壓分佈） - 圖 4 來展示電路工作原理。在這個幾何表示中，對應高度的區域性條形代表區域性電壓降（為簡單起見，我們可以只繪製電壓圖的包絡線）。我們可以直觀地從許多人類日常生活的例子中推匯出電壓圖的概念：液壓 [1]、氣動、機械、熱力等。這些類比有助於理解，當輸入電壓變化時，沿著電阻薄膜的區域性電壓從左到右逐漸（線性地）下降。實際上，這種安排再現了著名的歐姆實驗 [2]（參見另一個互動式 動畫）。在這個安排中，角度 α 的正切代表電流 IOUT。
應用
[edit | edit source]充當輸出裝置的 V-to-I 轉換器
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電壓控制電流源。幾乎所有自然電氣來源都是恆壓源（一次電池和二次電池）。實際上，自然界中不存在恆流源（除了電感器、范德格拉夫發生器和光電二極體）；如果我們需要電流源，我們必須自己建造它。[2] 為此，我們將一個電壓到電流轉換器（電阻 R）與輸入電壓源 VIN 串聯 - 圖 5。構建公式為
電流源 = 電壓源 + 電壓到電流轉換器
如果我們用理想電流負載（只是一根導線）短路電路輸出，它將產生一個恆定電流 IOUT = VIN/R。
實際負載（圖 5 上的 LED）會引入一些電壓降 VL，這會影響激勵電壓 VIN。現在，電壓差 VIN - VL 決定了電流 IOUT，而不是電壓 VIN；因此，電流會減小（參見關於 缺陷 的部分）。
充當輸入裝置的 V-to-I 轉換器
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複合電壓表。電流計（檢流計）實際上是電流表。為了用電流表測量電壓，我們在電流表之前連線一個電壓到電流轉換器（稱為“倍增”電阻 R）（圖 6）。這樣，我們可以將經典的電壓表表示為由兩個元件組成的複合裝置
複合電壓表 = 電壓到電流轉換器 + 電流表
經典電壓表的倍增電阻充當電壓到電流轉換器。
複合無源轉換器：類似地，在流行的電容積分器、電感微分器、對數轉換器等的無源電路中，電阻充當電壓到電流轉換器（圖 7）
V-to-V RC 積分器 = V-to-I 轉換器 + I-to-V C 積分器
V-to-V RL 微分器 = V-to-I 轉換器 + I-to-V L 微分器
V-to-V RD 對數轉換器 = V-to-I 轉換器 + I-to-V D 對數轉換器
在這些電路中，相應的 I-to-V 轉換器會引入一些電壓降，這會影響激勵電壓 VIN。因此，電流會減小，並出現誤差（參見關於 缺陷 的部分）。
電晶體基極電阻。BJ 電晶體是一種電流控制器件；它實際上“短路”了輸入源（更準確地說，我們可以用一個小電壓 VIN < VBE0 來驅動電晶體）。為了用相對較高的電壓驅動電晶體（例如，在電晶體開關電路中），我們將一個基極電阻與基極-發射極結串聯。它充當電壓到電流轉換器，從而為電晶體賦予電壓輸入（圖 8。）
電壓輸入電晶體 = V-to-I 轉換器 + 電流輸入電晶體
出於同樣的目的，電阻連線到諾頓運算放大器 [3] 的反相輸入和同相輸入，以便施加電壓。
電晶體的基極電阻充當電壓到電流轉換器。
運放反相放大器（輸入部分）。在運放反相電路中，運放將反相輸入的電壓保持在零電平（所謂的虛地）。因此，電路表現為電流控制器件，它“短路”了連線到反相輸入的輸入源。為了用電壓驅動運放（例如，在運放反相放大器電路中），我們在輸入電壓源和反相輸入之間連線一個電阻，該電阻充當電壓到電流轉換器（圖 9）
運放反相放大器 = V-to-I 轉換器 + 運放 I-to-V 轉換器
運放 V-to-V RC 積分器 = V-to-I 轉換器 + 運放 I-to-V C 積分器
運放 V-to-V RL 微分器 = V-to-I 轉換器 + 運放 I-to-V L 微分器
運放 V-to-V RD 對數轉換器 = V-to-I 轉換器 + 運放 I-to-V D 對數轉換器
輸入/輸出電阻是多少？
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研究輸入電阻和輸出電阻很有趣（為了具體起見，假設負載電阻為 RL）。
輸入電阻。首先，將電流表 *串聯到* 轉換器輸入，並將電壓表 *並聯到* 轉換器輸入；然後，改變輸入電壓以研究輸入電阻。從輸入源一側看，我們看到兩個串聯的電阻；因此，輸入電阻為 RIN = R + RL。如你所見，它取決於負載電阻 RL。
輸出電阻。現在，將電壓表 *並聯到* 轉換器輸出，並將電流表 *串聯到* 轉換器輸出；然後，改變負載電阻（電壓）並觀察電流以研究輸出電阻。從負載一側看，我們只看到電阻 R；因此，輸出電阻為 ROUT = R。這裡我們假設輸入電壓源是完美的（即，它的內部電阻為零）。
缺陷
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實際負載充當不完美的電流負載，消散能量（例如，簡單的電流表、電流測量電阻、二極體等）或儲存能量（電容器、二次電池、電感器等）。它們具有一定的電阻（線性或非線性）、電容或電感，會導致負載上出現電壓降 VL（圖 12）。因此，現在電壓差 VIN - VL 決定了電流 IOUT，而不是僅由電壓 VIN 決定；因此，電流會減小。如果你點選互動式 Flash 電影 [3] 中的 *探索* 按鈕，或者如果你轉到互動式 Flash 構建器 中的 *階段 2*，你可以以更具吸引力的方式探索電路工作原理。[4]
在 連通器 的水流比喻中也存在同樣的問題，其中容器之間的高度差決定了流速，而不是僅由輸入水壓源的高度來決定。
經典補救措施。 在某些情況下（例如，當無源電壓到電流轉換器是電流源的一部分時），我們可能會從日常生活中運用一種自相矛盾的技巧——用另一個大得多的有害數量來貶低一個有害數量。在電力中，這是降低負載引起的誤差的眾所周知的經典補救措施：增加勵磁電壓 V 和電阻 R 以抑制負載電壓降 VL。結果，輸出電流保持不變，但負載的影響（即使它變化）也會減小；因此，我們得到一個相對恆定的電流源。如果我們走得太遠，我們將“發明”經典的“電力”定義中的理想電流源，其中無限電壓除以無限電阻得到有限電流。例如，想象一下，我們首先使用 10V 電壓源和 10K 電阻構建一個 1mA 電流源，然後使用 100V 和 100K，然後使用 1000V 和 1000K，……最後使用無限 V 和無限 K。只想象一下該電阻在這種折衷方案中將消耗多少功率！此外，我們通常無法改變輸入電壓 V 和電阻 R。那麼如何解決這個問題呢？
尋找完美的補救措施。 注意，在簡單的電壓到電流轉換器中存在一個奇怪的矛盾：一方面，電壓降 VL 很有用，因為它用作輸出電壓；另一方面，這種電壓降是有害的，因為它會降低流過電阻 R 的實際產生電流的電壓 VR。我們如何解決這種矛盾？記住，當生活中出現不好的事情時我們會怎麼做。如果你找不到補救措施，請訪問有關 有源電壓到電流轉換器 的相關故事，以獲得答案。
無源電壓到電流轉換器不像相反的 無源電流到電壓轉換器 那樣流行。實際上，它存在於幾乎所有基本電子學書籍中，但作者並沒有區分它。結果，很少有資源明確地展示它，而是隱含地展示它。以下是一些資源。
- ↑ 具有電流輸出的基本無源轉換器 是關於最簡單電力轉換器的教師故事。
- ↑ 重新發明恆流源 揭示了恆流源的原理。
- ↑ 無源電壓到電流轉換器 是一個動畫 Flash 教程，揭示了無源版本的原理。
- ↑ 運放電路構建器 (電影理念) 是一個互動式 Flash 教程，展示瞭如何將任何無源轉換器轉換為有源轉換器（從右側庫中選擇電阻 R2 以構建電壓到電流轉換器）。
重新發明運放反相電壓到電流轉換器 揭示了有源版本背後的基本原理。
無源電流到電壓轉換器 將揭示“映象”電路無源版本背後的基本原理。
電阻器 是關於最簡單的電阻元件的綜合故事。
電壓到電流轉換器 介紹了電路的無源和有源版本。
電流到電壓轉換器 介紹了“映象”電路的無源和有源版本。
重新發明電壓到電流轉換器 是一個類似的電路故事，但它結構更好，更容易瀏覽。
無源電壓到電流轉換器 是一個互動式 Flash 電影（需要 Flash 播放器）
電壓表設計 對普通的“運動”電壓表提出了一個經典但有用的觀點。