极简电压/电流变换电路设计

【任务】设计一个高输入阻抗，且使用元件很少，成本低廉的V/I转换电路，将0~5V电压信号无衰减地转换为0~20mA电流信号，以方便远程工业线路传输。

【构思】为什么设计要求高输入阻抗呢？为了使输入信号与输出信号不相互扰动及衰减。一提到高输入阻抗，这使人联想到“虚断”的运放或门极几乎不“吃”电流，只“吃”电压的运放。再在此，我尝试使用运放LM358来构造这个电路。运放跟随器可将电压信号“毫无保留”地送给后级，而三极管可将运放输出的小电流放大为大电流，可以将运放跟随器与三极管开关电路（在这里用S9014管）组合成前后级实现V/I转换。运放跟随器如图1，最简单的三极管放大电路如图2。

显然，必须设法将上面两个单元电路组合起来才有可能实现设计要求。首先想到运放输出与三极管基极输入相连（这是通常的电路分级），成为下面的图3：

但上面的电路存在一个问题：流过负载RL的电流信号（0~20mA）没有与输入电压信号Ui（0~5V）直接关联，并没有形成全局的负反馈，受元件参数离散性即温飘的影响，这个电路无法实现精准稳定的V/I转换。因此，运放的负反馈必须从负载电流取，而R4有一端接地，从这个电阻上去反馈信号计算很方便，也很精准地反映了负载电流的变化（Ie≈Ic）。于是构造电路如下图4。

【计算】根据跟随器的特性，负载电流IL≈Ui/R4。为实现0~5V的与0~20mA的对应转换，R4=5/20=250Ω（电流取样电阻，如果手上没有合适的250Ω 0.02%的精密电阻，可使用249Ω 1%的精密电阻，误差稍大些，不影响功能实现）。不妨取R1=R2=100k（这是运放设计典型阻值）。9014三极管的B档放大倍数为100~300，取中间值200，当负载电流为最大值20mA时，基极电流Ib=20/200=0.1mA，于是R3=(5-0.7)/0.1=43k（VCC=5V，假设运放输出满轨）。最终设计完成的电路如下图5所示。