电压电流的转换电路如何制作

前言：昨天看到一篇介绍输出4~20mA电流电路的文章。作者首先介绍了两个直接用运放和三极管搭起来的电路，但并没有给出原理介绍，然后给出了第三种使用集成芯片的电路，并推荐大家使用。不可否认，作为商业产品，集成电路性能优异且更加稳定，方便工程师使用。但是笔者却突然想到了前几天某公司被美国商务部制裁的事件，如果中国的工程师都是“拿来主义”，只会照着参考电路做设计，我们就会永远受制于人，而且对工程师的成长也没有好处。为此，本着学习的态度，将两个电路原理分析如下，并记录于此，希望各位同行批评指正。
在工控或者和工控相关的行业，一定会遇到需要输出4~20mA电流的时候。最简单简陋的电流输出电路，是用“三级管+放大器”构成的。如图1-1所示：






图1-1
电路中运放工作于深度负反馈状态，反馈组态为电流串联负反馈。判断方法如下，首先确定电路的输出量，J1处接负载，输出4~20mA电流（受输入电压控制，还可以输出别的大小），即输出量为电流。令负载两端电压为0，易知反馈量依旧存在，且反馈量取自输出电流



，得出电路为电流负反馈结论。反馈量为三极管发射极电压



，因此有



，此时，反馈系数为



，假如负载很小，那么电路的电流电压放大倍数为



, 此处



取为100欧姆，那么电流电压放大倍数为







，即输入



得到



电流，输入



得到



电流。在Multisim中仿真如下：










图1-2
            上面电流电压放大倍数的计算是建立在负载输入电阻很小的基础上的，但是电路中反馈电阻值只有



，假如负载为







大小的话，放大倍数就会有



的变化，所以上面电路需要改进。
改进型的电路如下所示






图1-3
           根据上面的分析方法，可以计算出图1-3电路的电流电压放大倍数为



，此时可以更加方便地调节放大倍数，且由于引入了反馈回路，形成了更深的负反馈，因此可以获得更稳定的性能。假如各元件取值如上图所示，电路的电流电压放大倍数为







，如果负载输入电阻为







，放大倍数只会有不到



的变化。
仿真结果如图1-4












图1-4
        可以看到，不同的输入电压，输出电流并不是十分标准的线性关系，但对于设计呼吸灯、简易电流源等一般应用已经足够。