单运放电压电流转换电路的工作原理分析

1、 工作原理分析

图5.39为单运放电压—电流转换电路图，首先对电路进行工作原理分析：U1A、R1、R2、R3和R4实现差分放大功能。正常工作时节点电压VN=、VP=，根据运放虚短、虚断工作原理，VN=VP，所以=，即VIN=V1-V2。相对于采样电阻RS，电阻R4阻值非常大，所以输出电流Iout==，输入电压与输出电流成线性关系，通过调节采样电阻RS和输入电压VIN实现输出电流控制。

图5.39 单运放电压—电流电路

第1步：对电路进行瞬态仿真分析，图5.40和图5.41分别为瞬态和参数仿真设置，图5.42为输出电流波形。由仿真结果可得，当输入电压为0V时输出电流约为0A，当输入电压为5V时输出电流约为20mA。

图5.40 瞬态仿真设置

图5.41 输入电压参数仿真设置

图5.42 输出电流波形

第2步：直流仿真分析——输入电压与输出电流传输特性。图5.43、图5.44和图5.45分别为直流分析仿真设置、仿真波形和数据。当输入电压为0—5V时，输出电流最小值为11.945uA，最大值为20.023mA，整体误差优于千分之一。稳压管D1实现等效负载功能，当输出悬空时电流通过D1回到地，整体电路闭环恒流工作，避免输出悬空时电路偏置在极端饱和状态。另外根据输出电压大小选择合适的D1稳压管型号，避免正常工作时稳压管限压。差分电阻R4的阻值对输出电流精度将会产生影响，因为输出电流Iout通过电阻R4进行流通，如果R4相对于RS阻值非常大，并且输出电压很低，影响将会非常小；如果此处采用运放跟随后再与电阻R4连接，输出电流将不再受电阻R4影响，精度将会大大提高。

图5.43 直流仿真设置

图5.44 输出电流波形

图5.45 仿真数据

2、 附录——关键仿真器件模型