电压转电流电路的工作原理与设计示例

电压转电流的电路常见于工业场合，接下来介绍其工作原理与设计示例。

1.高边V/I电路原理

这种高压侧电压电流转换电路可以为接地负载提供良好可调电流。此电路结构采用两级结构，一级为OPA+NMOS，将VIN转化为电源参考信号来驱动第二级OPA，第二级OPA控制PMOS的栅极调节负载电流。

电路的V-I传递函数基于输入电压VIN和三个感应电流的电阻RS1、RS2和RS3之间的关系。

VIN和RS1之间的关系将决定流过设计第一阶段的电流:

V RS1 =VIN

从第一级到第二级的电流增益基于RS2和RS3之间的关系:

I RS2 ≈I RS1 , V RS3 ≈V RS2 , I LOAD ≈IRS3

最终负载电流公式：

2.设计案例：

设计指标：5V供电，V IN =0~2V；Vout=4.5V/0~100mA，效率98%

•Supply Voltage: 5 Vdc

• Input: 0 ~2 Vdc

• Output: 4.5V/(0 ~100 )mAdc

• Efficiency: 98%

• Gain error: 0.1%

a.设计RS1 :

一级电路对负载不提供功率，因此一级电路电流产生功耗直接影响系统效率。为了达到98.5%的效率目标，同时为运算放大器的静态电流留出空间，第一级的功耗将限制在满量程时输出电流的1%。因此，当输出为100mA满量值时，设计应将第一级IRS1中的电流设置为1mA。

V RS1 =V IN =2V

R S1 =V IN /I RS1 =2V/1mA=2kΩ

I ~RS2~ ≈I ~RS1~ =1mA

b.设计RS2/RS3：

电路的第二级产生驱动负载的输出电流源。由于A2的IN+≈IN-，因此V RS3 ≈V RS2 ，考虑5V供电，需要Vout=4.5V，因此满量程时需要使VRS3小于500mV，假设Q2压降0.3V，则V RS3 =470mV

R ~S2~ =V ~RS3~ /I ~RS2~ =470mV/1mA=470Ω

R ~S3~ =V ~RS3~ /I ~LOAD~ =470mA/100mA=4.7Ω

c.运放补偿设计：R2/R3/C6/R4/R5/C7

第一和第二阶段都需要补偿组件，以确保适当的设计稳定性。运放输出驱动容性负载（MOS寄生Cgs）容易产生输出震荡，本补偿之后的电路结构是经典的运放双反馈回路，具体可以参考如下双反馈的设计。

d.器件选择:

1.运放：运放推荐选择Low offset voltage, low temperature drift的运放。

2.MOSFET: 需要确保OPA可以适当控制栅极，推荐低阈值电压VGS(th)，另外VGS,GSDS,ID不超额定值。

3.电阻（精度）：直接影响输出电流精度的是作为传递函数的三个电阻RS1,RS2,RS3。为了满足0.1% FSR的增益误差设计目标，这些电阻的容差选择为0.1%。第一级的电流在第二级中乘以RS2与RS3的比值。因此，第一阶段的准确性是非常关键的，因为第二阶段的误差会成倍增加并传递到输出中。因此，更高精度的设计可能需要更低的RS1电阻公差。(本设计中的其他无源元件可以选择1%或更大，因为它们不会直接影响本设计的传递函数。)