电路创意/运算放大器反向电压电流转换器
电路创意：运算放大器补偿负载造成的外部损耗，向输入电压源添加与它在负载上损失的电压一样多的电压。
在这个故事中，我们开始揭示主动电压电流转换器的秘密，别名电压控制电流源(VCCSs)或跨导放大器。让我们从最简单、最直观的运算放大器反向电压电流转换器开始。
首先看看“糟糕”的被动版本(图 1 的顶部)，然后看看电压电流转换器的“良好”主动版本(图 1 的底部)。没有必要耍聪明:)，就能看到主动版本包含被动版本 + 一个根据一些强大理念连接的运算放大器。
这两个电路之间似乎存在着密切的联系：也许，主动版本来自被动版本，也许主动版本只是改进的被动版本？如果是这样，被动电路是如何转变为主动电路的？这种连接的理念是什么？运算放大器在这个电路中起什么作用？让我们尝试通过跟踪被动电路演变为主动电路的过程来回答这些问题。
我们已经知道为什么简单的电压电流转换器(以及所有被动电路)是不完美的电路 - 因为它的输出电流取决于负载上的电压降 VL(图 2)。在这种安排中，有效电压差 VIN - VL 决定电流 IOUT，而不是仅仅由电压 VIN 决定；因此，电流会减小。您可以通过更直观的方式探索电路操作，只需点击交互式 Flash动画 [1]中的“探索”按钮，或者转到交互式 Flash构建器中的第 2 阶段。 [2]
我们可以从两个相反的角度看待电压 VL。从输入电压源的角度来看，电压降 VL 是有害的；因此，输入源“希望”这种电压不存在。相反，从负载的角度来看，VL 是有用的电压降，因为它通常用作输出量；因此，负载“希望”这种电压存在，甚至尽可能地高。
显然，这里存在矛盾 - 电压降 VL 必须存在，同时又不能存在。我们如何解决这种矛盾？
回想一下，我们在现实生活中解决问题时，如果遇到他人造成的干扰，我们会怎么做。经典的补救措施是消除干扰的原因。只是，并非总能做到这一点；然后，我们使用另一种奇特的解决方案 - 我们用等效的“反扰动”消除干扰。为此，我们使用一个额外的电源(能量)，它通过仅补偿由不希望的外部量引起的局部损耗来“帮助”我们(主电源)。这种技术与持续浪费额外能量有关，但结果为零(虚拟地 [3])；所以，我们更愿意在富有且懒惰的情况下使用它:)。以下是一些有趣的例子。
如果有人在冬天打破了我们的窗户，我们可以打开暖气(而不是仅仅修理破窗户)；在夏天，我们开空调。如果窗户变脏，我们可以打开房间里的额外灯泡来“帮助”太阳(而不是仅仅清洁窗户)。当一辆汽车与我们的汽车发生碰撞时，保险公司会赔偿对方汽车造成的损失(而不是仅仅防止碰撞)。如果有人(例如，我们的妻子或丈夫)从我们的账户中取钱，我们可以开始往账户里存钱来恢复金额(而不是仅仅责骂她/他:) 当我们去山里时，我们会储备食物、水、药物等，以便在将来需要时使用(而不是仅仅不去山里：)。在所有这些情况下，
我们已经准备好了(以防万一)“备用”资源，以便在需要补偿意外外部损失时使用它们。.
现在，让我们把这个强大的想法付诸实践。电阻 R 上的电压降 VL 是有害的；所以，按照上面的方法，我们必须用一个“反电压” -VL 来消除它。换句话说，我们必须在输入（激励）电压源 VIN 上增加电压，其增加量与负载 L 上损失的电压量相同。
理解真实电子元件功能的最佳方式就是让它们工作。所以，让我们先构建一个“人工控制”的有源电路，其中一个人（我可以做这个苦力：）产生“反电压”，而你改变输入电压。为此，我首先在负载 L 的串联位置放置一个额外的辅助电池 BH（图 3）。然后，为了比较两个电压，我在点 A 连接一个零指示器，它显示比较结果 VA = VH - VL。看看这有多简单。
在负载的串联位置添加一个可调电池，使其电压等于负载上的电压降！
探索电路
[edit | edit source]一开始，假设没有输入激励电压 VIN（再次参见上面的图 3）。因此，电路中没有电压降和电流；零指示器的指针指向零位置。我很高兴，因为没什么事可做：）
如果你增加输入电压 VIN，电流就会开始流过负载。结果，负载上会出现电压降 VL，点 A 的电位 VA 开始上升（形象地说，输入源“拉”点 A 向正电压 VIN 移动）。不过，我观察到指针向右偏转，并且非常不情愿地：立即通过降低补偿电压 VH 来反应。现在，它“拉”点 A 向负电压 -VH 移动，直到成功将电位 VA 归零（虚拟地）。请注意，两个电压源串联连接，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它们的电压相加（假设我们沿顺时针方向遍历回路）。关于接地，它们具有相反的极性。
通过这种方式，输入电压源得到了“帮助”；其电压增加了与负载上损失的电压量相同的电压（VL）。结果，“有害”电压 VL 消失；点 A 的电压为零；它表现得像一个虚拟地。无源电压-电流转换器被“欺骗”了：它有一种错觉，认为没有连接负载；它“认为”其输出短路了。
你可以想象，当你在接地以下降低输入电压 VIN 时会发生什么。与上面一样，我会根据零指示器指针调整电池电压，以便始终有 VH = -VL。在电子学、技术和我们的世界中，这种行为被称为负反馈（这是一个伟大的现象）。
运算放大器反相电压-电流转换器
[edit | edit source]构建电子电路
[edit | edit source]现在，让我们尝试让一些电子设备做这个苦力；运算放大器似乎是一个不错的选择。为此，我们将运算放大器的输出连接到辅助电压源的位置，并将运算放大器的输入连接到点 A，以便运算放大器“帮助”输入源（运算放大器的输出电压和输入电压相加）。
探索电子电路
[edit | edit source]一开始，就像上面一样，假设没有输入激励电压 VIN。因此，电路中没有电压降和电流。运算放大器的反相输入和非反相输入之间几乎没有电压差；现在，它“高兴”了，因为没什么事可做：）
正输入电压
[edit | edit source]如果输入电压 VIN 增加，输出电流 IOUT 就会开始流过负载 L。结果，负载 L 上会出现电压降 VL，点 A 的电位 VA 开始上升（输入源“拉”点 A 向正电压 VIN 移动）。不过，运算放大器“观察”到这一点，并且非常不情愿地：立即做出反应：它降低其输出电压，并“吸取”电流 IOUT，直到成功将电位 VA 归零。形象地说，运算放大器“拉”点 A 向负电压 -V 移动，以建立一个虚拟地。它通过将负电源 -V 产生的部分电压与输入电压 VIN 串联连接来实现这个神奇的操作。像上面一样，两个电压源串联连接，方向相同（- VIN +，- VH +），因此它们的电压相加。关于接地，它们具有相反的极性。
负输入电压
[edit | edit source]如果输入电压 VIN 在接地以下下降，输入电流 IOUT 就会开始流过负载 L，方向相反。结果，负载 L 上会出现电压降 VL，点 A 的电位 VA 开始下降（现在，输入源“拉”点 A 向负电压 -VIN 移动）。不过，运算放大器“观察”到这一点，并且立即做出反应：它提高其输出电压，“推”出电流 IOUT，直到成功将电位 VA 归零（现在，运算放大器“拉”点 A 向正电压 +V 移动，以建立一个虚拟地）。它通过将正电源 +V 产生的部分电压与输入电压 VIN 串联连接来实现这个神奇的操作。两个电压源再次串联连接，方向相同（+ VIN -，+ VH -），因此它们的电压相加。关于接地，它们具有与上面相同的相反极性。
结论。 在运算放大器电压-电流转换器的电路中，运算放大器向输入源的电压增加了与它在外部负载上损失的电压量相同的电压。运算放大器补偿了由这个外部负载引起的局部损失（相反，在相反的运算放大器反相电流-电压转换器中，运算放大器补偿了内部电阻引起的损失）。
运算放大器 V-to-I 转换器的应用
[edit | edit source]一旦我们创建了一个完美的电压-电流转换器，我们就可以将其用作构建块来构建更复杂的复合电路。为此，我们只需将各个构建块按顺序连接起来。
保持在电路输出之后
[edit | edit source]首先，我们可以将运算放大器电压-电流转换器连接在具有电压输出的电路之后；因此，我们使其产生电流。例如，我们已经知道如何构建一个简单的电流源
简单电流源 = 电压源 + 无源 V-to-I 转换器
现在，我们可以构建一个完美的运算放大器恒流源（图 6）
运算放大器电流源 = 电压源 + 运算放大器 V-to-I 转换器
其输出电流不依赖于负载电阻（更一般地说，不依赖于负载上的电压降）。
然后，我们可以在具有电流输入的电路之前连接运算放大器电压到电流转换器；这样我们就让它们感知电压。通过应用这种技术，我们可以组装著名的电容积分器（图 7）、电感微分器、二极管对数转换器等有源电路。
运算放大器 RC 积分器 = 运算放大器 V-to-I 转换器 + I-to-V C 积分器
运算放大器 RL 微分器 = 运算放大器 V-to-I 转换器 + I-to-V L 微分器
运算放大器 RD 对数转换器 = 运算放大器 V-to-I 转换器 + I-to-V D 对数转换器
在所有这些电路中，跨越各个 I-to-V 转换器的电压降不会引入误差（确切地说，它引入了误差，但运算放大器会消除它）。
运算放大器 V-to-I 转换器是一个有源电路；所以，我们可以预期它会放大。实际上，它充当一个线性电路，其传输比 k = IOUT/VIN [mA/V] 或 毫西门子 具有电导率的维度。这就是为什么它们经常称之为 跨导放大器（跨导是“传输电导”的缩写）。然而，让我们尝试回答这个问题，“运算放大器 V-to-I 转换器是一个放大器吗？”
为了回答这个问题，让我们通过连续连接一个运算放大器电压到电流转换器（R1 和 OA）和一个作为简单电流到电压转换器的裸电阻 R2 来组装著名的运算放大器反相放大器（图 8）。
运算放大器反相放大器 = 运算放大器 V-to-I 转换器 + I-to-V 转换器
请注意，电阻 R2 在这里充当图 5 中的负载 L）。如果输出功率大于输入功率，则该电路将放大功率。因此，输出电压必须高于输入电压，因为电流是相同的。
最后让我们比较这两个版本，从研究输入和输出电阻开始（为了具体，让我们假设一个裸的电阻负载 RL）。
输入电阻。首先，将电流表串联连接到转换器的输入，将电压表并联连接到转换器的输入；然后改变输入电压以研究输入电阻。也许您还记得，在被动版本中，从输入源一侧看，我们看到两个串联连接的电阻器；因此，输入电阻为 RIN = R + RL。现在，我们只看到电阻 R，因为运算放大器已经“中和”了负载电阻 RL。
太棒了，负载消失了！因此，输入电阻为 RIN = R，更有趣的是，它不依赖于负载电阻 RL！在这种情况下，运算放大器“帮助”输入电压努力改变电流。
输出电阻。现在，将电压表并联连接到转换器的输出，将电流表串联连接到转换器的输出；然后，改变负载电阻（电压）并观察电流以研究输出电阻。请记住，在被动版本中，从负载一侧看，我们只看到电阻 R；因此，输出电阻为 ROUT = R。现在，情况更加有趣：当我们改变负载电压时，电流保持稳定！但这为什么呢？
在这种情况下，运算放大器“抵制”负载努力改变电流。因此，电压会发生变化（甚至显著变化），而电流保持不变；所以，输出差分电阻趋于无穷大。
工作范围。运算放大器会执行所有这些“魔法”，直到它能够改变其输出电压（即，直到它位于活动区域）。当它到达电源轨时，运算放大器会饱和，魔法就会停止，几乎理想的有源电路又变成了一个不完美的被动电路：（。他们将负载的最大电压降称为 顺从电压。请注意，被动版本没有这样的问题；它始终是不完美的。
接地连接。在被动版本中，负载连接到（真实）接地，而在有源版本中，负载是“浮动的”。更准确地说，它连接到接地，但这是一种虚拟接地。在某些情况下，这已经足够了，但在其他情况下则不然。
反相配置不是唯一可能的有源电压到电流转换器。还有一些其他技术，在某些方面，超越了所考虑的理念。现在让我们简要地考虑一下这些技术；然后，我们将为它们专门撰写电路故事。
负反馈。严格来说，这里讨论的反相配置中存在负反馈。只是，负反馈不是为了维持输出电流；它只是为了维持补偿“反电压”。在这种安排中，运算放大器实际上并不关心电流幅度；它只关心虚拟接地幅度。在流行的实现中——非反相配置，运算放大器（而不是输入电压源）产生通过恒定电阻的输出电流。然后，运算放大器将跨越电阻 R 的“复制”电压降 VR 维持为等于“原始”输入电压降 VIN。简单地说，运算放大器将它的输出电压增加负载电压的值，从而对其进行补偿。因此，输出电流只取决于 VIN 和 R；它不取决于所有干扰。[4][5] 通过添加外部晶体管或使用内部运算放大器输出晶体管[6]，这些电路可以驱动接地负载。只是，负反馈配置有两个大错误：第一个是由运算放大器有限增益引起的；第二个是由共模增益引起的。
自举。著名的男爵芒豪森的理念可以帮助我们在不使用负反馈的情况下实现相同（甚至更好）的结果。相应的电路实现被称为改进的霍兰德电流源；没有人知道为什么摩托罗拉在 1973 年将它命名为带反馈的电流源[7]？！这个理念和上面一样简单：运算放大器将它的输出电压增加负载电压的值，从而对其进行补偿（与反相配置进行比较，在反相配置中，运算放大器产生等于负载电压降的输出电压，并将其添加到输入电压）。只是，它“盲目”地执行这个魔法，而不使用负反馈。
负电阻。著名的霍兰德电流源电路利用了这个理念；[8][9] 摩托罗拉在 1973 年将其命名为差分输入运算放大器电流源[7]。从一个角度来看，它由一个负电阻 -R 与一个作为 被动电压到电流转换器 的正电阻 R 并联连接组成。这种连接的结果是，负电阻“中和”（吸收）正电阻，有效差分电阻（内部电源的电阻）是无穷大的。[10] 电压到电流转换器表现为一个完美的电流源，它驱动接地负载。只是，这些电路不像那些利用负反馈的电路那么稳定。
运算放大器反相电压到电流转换器不像相关的 运算放大器非反相电压到电流转换器 和相反的 运算放大器反相电流到电压转换器 那样流行。实际上，它几乎存在于所有关于运算放大器电路的电子学书籍中，但他们没有区分它。因此，很少有资源以隐含的方式而不是显式的方式呈现它。以下是其中一些资源。
- ↑ 被动电压到电流转换器 是一个动画的Flash教程，揭示了被动版本的理念。
- ↑ 运算放大器电路构建器 (电影理念) 是一个交互式的Flash教程，展示了如何将任何被动转换器转换为有源转换器。从右侧的库中选择电阻 R2 以构建一个有源电压到电流转换器。
- ↑ 如何创建虚拟地？揭示了运放反向电压电流转换器所基于的伟大电路现象的秘密。
- ↑ 通过负反馈保持恒定电流展示了如何通过应用负反馈产生恒定电流。
- ↑ 电压电流转换 - 应用笔记 13 - 考虑了各种电压控制电流源。
- ↑ 运算放大器可以提供或吸收电流利用了一个强大的想法 - 使用运放电源引线作为输入/输出端。
- ↑ a b 运算放大器电流源的分析与设计是对霍兰电流源极其正式和枯燥的介绍（它在那里被重新命名为差分输入运算放大器电流源）。
- ↑ 使用运算放大器的阻抗和导纳变换 - 也许首次提到了霍兰电路（非常棒的资料！）。
- ↑ 用于接地负载的霍兰电流源揭示了这个著名电路背后的基本思想。
- ↑ 考虑用于单极性非反向设计的“Deboo”积分器（参见文章后的评论）。
电路理念（本书）
无源电压电流转换器揭示了无源版本背后的基本思想。
无源电流电压转换器展示了“镜像”电路无源版本背后的基本思想。
运算放大器反向电流电压转换器揭示了“镜像”电路有源版本背后的基本思想。
电压电流转换器介绍了电路的无源和有源版本。
虚拟地仔细审查了具有并联负反馈的电路背后的基本现象。
如何将无源电压电流转换器转换为有源转换器是一个类似的故事。
运放反向电流源背后的思想是什么？ - 通过使用电压条和电流环路揭示了“帮助”思想。
运算放大器反向加法器是一个动画教程，它使用运算放大器反向电压电流转换器来构建著名的运算放大器求和电路。
并联负反馈电路的秘密揭示了这类电路的哲学（运算放大器反向电压电流转换器属于这类电路）。
实验 2：基本仪器（电压电流转换器）展示了该电路的一个有趣版本，其中运放由一个晶体管缓冲，负载接地。
Tietze, U 和 Schenk, Ch. “Halbleiter-Schaltungstechnik”，第 12.3.1 章。Springer-Verlag 柏林海德堡纽约，1980 年。