电路创意/无源电压电流转换器
电路创意： 施加在电阻器上的电压使与电阻器成比例的电流流过电阻器。
您是否注意到，在低压电子设备中，电压和电流这两个电气属性携带的是信息而不是能量？而且，由于某些原因，我们更倾向于使用电压作为数据载体？因此，大多数电子电路都具有电压输入和输出。
不幸的是 :)，也存在电流输入和电流输出设备。例如：电流表只有电流输入，电流源只有电流输出，双极型晶体管具有电流输入和电流输出，电子管和场效应管具有电压输入和电流输出，跨阻放大器和诺顿放大器具有电流输入和电压输出，等等。在这些情况下，我们需要设备将携带信息的电气属性从电压转换为电流，反之亦然。
在这个故事中，我们开始揭示著名的（像欧姆定律一样）电压电流转换器的秘密，它将电气数据载体从电压更改为电流（图 1）。与往常一样，这种电路有两种版本 - 无源的（“坏的”）和有源的（“好的”）。这里，我们从“坏的”无源版本开始。然后，在另一个专门介绍“好的”有源版本的故事中，我们将展示这两个版本并非独立的。相反，这两个电路之间存在密切的相互关系：有源版本源自无源版本（有源版本包含无源版本，它只是改进的无源版本）。这样，我们将展示这个著名电路的演变，逐步地，从简单到复杂。
您是否曾经问过自己关于我们世界中因果关系的问题：“先有鸡还是先有蛋？”（困扰着从遥远的过去到现在的哲学家 :)）以及，“是什么导致了什么 - 压力导致流动还是流动导致压力？” 由于我们很难回答这个基本问题，我们可能只假设两种可能的答案。
好吧，让我们首先从更流行的假设开始，即压力导致流动。实际上，我们可能会在生活中观察到很多情况，其中类似压力的量使类似流动的量通过阻碍物运动。以下是一些示例：气动（想象一个恒压泵将空气通过一个封闭的管道环路移动 - 您可以使用老式空气净化器进行这种有趣的实验，它通过由波纹软管制成的封闭环路吸入和吹出空气），水（记得著名的连通器，其中两个容器之间的高度差会导致水流动），热（如果我们在金属棒的一端加热，热量就会开始流向另一端），机械（想象一个电机驱动皮带 - 能量沿着这条“电路”流动），信息（有人给另一个人讲故事 - 数据通过电话线流动），金钱（富人给穷人钱 :)），等等。如果您需要更多示例，只需环顾四周，您就会发现很多压力导致流动（更一般地，差异导致运动）的类比。让我们最终概括所有这些情况。
如果我们对阻碍物施加压力，就会开始流动。在这种情况下，类似压力、类似流动和类似阻碍物的属性是相互关联的。通常，输出类似流动的变量与输入类似压力的变量成正比；因此，我们可以说阻碍物将类似压力的变量转换为类似流动的变量。
在电学中，我们可能会问自己上述哲学“鸡或蛋”问题的电气版本，“在欧姆定律中，是什么导致了什么 - 电压导致电流还是电流导致电压？”[1] 再次，由于我们很难回答这个基本问题，我们可能假设两种可能的答案。
在这个故事中，我们将从更流行的假设开始，即在由电压源供电的最基本欧姆电路中，电压导致电流（图 2）。我们知道，如果我们对电阻器 R 施加电压 VIN，就会有与之成比例的电流 IOUT = VIN/R 开始流过电路。我们可以说，这是欧姆定律的电压导致电流公式：I = V/R。
在这个电压供电电路中，电阻器 R 决定流过它的电流。我们通常说电阻器将电压 VIN 转换为与之成比例的电流 IOUT，或者它用作简单的电压电流转换器 - 具有传输比 k = IOUT/VIN [mA/V] 的线性电路。
如果我们用电压条和电流环路（图 2）来可视化看不见的电气量，我们可以以比 I = V/R 更具吸引力的方式展示电路操作和欧姆定律。它们基于著名的水塔和鱼缸水力类比。在这个“几何”演示中，电压条的高度与相应的电压（降落）成正比，电流环路的厚度与电流的大小成正比（另请参见交互式动画）。
然后，我们可以用图解法来展示电路工作原理（以及欧姆定律） - 图 3。由于两个 2 端元件（电压源和电阻）上的电压和电流相同，我们可以将它们的 IV 曲线叠加到一个公共坐标系上。两条线的交点是 *工作点* A；它代表电压 VA 和电流 IA 的电流幅度。当我们改变输入电压源的电压 VIN 时，它的 IV 曲线会水平移动（参见交互式 动画）。因此，工作点 A 在电阻 R 的 IV 曲线上滑动；它的斜率代表转换器的比例。
最后，我们可以用另一种吸引人的欧姆定律图形解释 - 电压图（线性电阻内部电阻薄膜上的电压分布） - 图 4 来展示电路工作原理。在这个几何表示中，对应高度的局部条形代表局部电压降（为简单起见，我们可以只绘制电压图的包络线）。我们可以直观地从许多人类日常生活的例子中推导出电压图的概念：液压 [1]、气动、机械、热力等。这些类比有助于理解，当输入电压变化时，沿着电阻薄膜的局部电压从左到右逐渐（线性地）下降。实际上，这种安排再现了著名的欧姆实验 [2]（参见另一个交互式 动画）。在这个安排中，角度 α 的正切代表电流 IOUT。
应用
[edit | edit source]充当输出设备的 V-to-I 转换器
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电压控制电流源。几乎所有自然电气来源都是恒压源（一次电池和二次电池）。实际上，自然界中不存在恒流源（除了电感器、范德格拉夫发生器和光电二极管）；如果我们需要电流源，我们必须自己建造它。[2] 为此，我们将一个电压到电流转换器（电阻 R）与输入电压源 VIN 串联 - 图 5。构建公式为
电流源 = 电压源 + 电压到电流转换器
如果我们用理想电流负载（只是一根导线）短路电路输出，它将产生一个恒定电流 IOUT = VIN/R。
实际负载（图 5 上的 LED）会引入一些电压降 VL，这会影响激励电压 VIN。现在，电压差 VIN - VL 决定了电流 IOUT，而不是电压 VIN；因此，电流会减小（参见关于 缺陷 的部分）。
充当输入设备的 V-to-I 转换器
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复合电压表。电流计（检流计）实际上是电流表。为了用电流表测量电压，我们在电流表之前连接一个电压到电流转换器（称为“倍增”电阻 R）（图 6）。这样，我们可以将经典的电压表表示为由两个组件组成的复合设备
复合电压表 = 电压到电流转换器 + 电流表
经典电压表的倍增电阻充当电压到电流转换器。
复合无源转换器：类似地，在流行的电容积分器、电感微分器、对数转换器等的无源电路中，电阻充当电压到电流转换器（图 7）
V-to-V RC 积分器 = V-to-I 转换器 + I-to-V C 积分器
V-to-V RL 微分器 = V-to-I 转换器 + I-to-V L 微分器
V-to-V RD 对数转换器 = V-to-I 转换器 + I-to-V D 对数转换器
在这些电路中，相应的 I-to-V 转换器会引入一些电压降，这会影响激励电压 VIN。因此，电流会减小，并出现误差（参见关于 缺陷 的部分）。
晶体管基极电阻。BJ 晶体管是一种电流控制器件；它实际上“短路”了输入源（更准确地说，我们可以用一个小电压 VIN < VBE0 来驱动晶体管）。为了用相对较高的电压驱动晶体管（例如，在晶体管开关电路中），我们将一个基极电阻与基极-发射极结串联。它充当电压到电流转换器，从而为晶体管赋予电压输入（图 8。）
电压输入晶体管 = V-to-I 转换器 + 电流输入晶体管
出于同样的目的，电阻连接到诺顿运算放大器 [3] 的反相输入和同相输入，以便施加电压。
晶体管的基极电阻充当电压到电流转换器。
运放反相放大器（输入部分）。在运放反相电路中，运放将反相输入的电压保持在零电平（所谓的虚地）。因此，电路表现为电流控制器件，它“短路”了连接到反相输入的输入源。为了用电压驱动运放（例如，在运放反相放大器电路中），我们在输入电压源和反相输入之间连接一个电阻，该电阻充当电压到电流转换器（图 9）
运放反相放大器 = V-to-I 转换器 + 运放 I-to-V 转换器
运放 V-to-V RC 积分器 = V-to-I 转换器 + 运放 I-to-V C 积分器
运放 V-to-V RL 微分器 = V-to-I 转换器 + 运放 I-to-V L 微分器
运放 V-to-V RD 对数转换器 = V-to-I 转换器 + 运放 I-to-V D 对数转换器
输入/输出电阻是多少？
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研究输入电阻和输出电阻很有趣（为了具体起见，假设负载电阻为 RL）。
输入电阻。首先，将电流表 *串联到* 转换器输入，并将电压表 *并联到* 转换器输入；然后，改变输入电压以研究输入电阻。从输入源一侧看，我们看到两个串联的电阻；因此，输入电阻为 RIN = R + RL。如你所见，它取决于负载电阻 RL。
输出电阻。现在，将电压表 *并联到* 转换器输出，并将电流表 *串联到* 转换器输出；然后，改变负载电阻（电压）并观察电流以研究输出电阻。从负载一侧看，我们只看到电阻 R；因此，输出电阻为 ROUT = R。这里我们假设输入电压源是完美的（即，它的内部电阻为零）。
缺陷
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实际负载充当不完美的电流负载，消散能量（例如，简单的电流表、电流测量电阻、二极管等）或存储能量（电容器、二次电池、电感器等）。它们具有一定的电阻（线性或非线性）、电容或电感，会导致负载上出现电压降 VL（图 12）。因此，现在电压差 VIN - VL 决定了电流 IOUT，而不是仅由电压 VIN 决定；因此，电流会减小。如果你点击交互式 Flash 电影 [3] 中的 *探索* 按钮，或者如果你转到交互式 Flash 构建器 中的 *阶段 2*，你可以以更具吸引力的方式探索电路工作原理。[4]
在 连通器 的水流比喻中也存在同样的问题，其中容器之间的高度差决定了流速，而不是仅由输入水压源的高度来决定。
经典补救措施。 在某些情况下（例如，当无源电压到电流转换器是电流源的一部分时），我们可能会从日常生活中运用一种自相矛盾的技巧——用另一个大得多的有害数量来贬低一个有害数量。在电力中，这是降低负载引起的误差的众所周知的经典补救措施：增加励磁电压 V 和电阻 R 以抑制负载电压降 VL。结果，输出电流保持不变，但负载的影响（即使它变化）也会减小；因此，我们得到一个相对恒定的电流源。如果我们走得太远，我们将“发明”经典的“电力”定义中的理想电流源，其中无限电压除以无限电阻得到有限电流。例如，想象一下，我们首先使用 10V 电压源和 10K 电阻构建一个 1mA 电流源，然后使用 100V 和 100K，然后使用 1000V 和 1000K，……最后使用无限 V 和无限 K。只想象一下该电阻在这种折衷方案中将消耗多少功率！此外，我们通常无法改变输入电压 V 和电阻 R。那么如何解决这个问题呢？
寻找完美的补救措施。 注意，在简单的电压到电流转换器中存在一个奇怪的矛盾：一方面，电压降 VL 很有用，因为它用作输出电压；另一方面，这种电压降是有害的，因为它会降低流过电阻 R 的实际产生电流的电压 VR。我们如何解决这种矛盾？记住，当生活中出现不好的事情时我们会怎么做。如果你找不到补救措施，请访问有关 有源电压到电流转换器 的相关故事，以获得答案。
无源电压到电流转换器不像相反的 无源电流到电压转换器 那样流行。实际上，它存在于几乎所有基本电子学书籍中，但作者并没有区分它。结果，很少有资源明确地展示它，而是隐含地展示它。以下是一些资源。
- ↑ 具有电流输出的基本无源转换器 是关于最简单电力转换器的教师故事。
- ↑ 重新发明恒流源 揭示了恒流源的原理。
- ↑ 无源电压到电流转换器 是一个动画 Flash 教程，揭示了无源版本的原理。
- ↑ 运放电路构建器 (电影理念) 是一个交互式 Flash 教程，展示了如何将任何无源转换器转换为有源转换器（从右侧库中选择电阻 R2 以构建电压到电流转换器）。
重新发明运放反相电压到电流转换器 揭示了有源版本背后的基本原理。
无源电流到电压转换器 将揭示“镜像”电路无源版本背后的基本原理。
电阻器 是关于最简单的电阻元件的综合故事。
电压到电流转换器 介绍了电路的无源和有源版本。
电流到电压转换器 介绍了“镜像”电路的无源和有源版本。
重新发明电压到电流转换器 是一个类似的电路故事，但它结构更好，更容易浏览。
无源电压到电流转换器 是一个交互式 Flash 电影（需要 Flash 播放器）
电压表设计 对普通的“运动”电压表提出了一个经典但有用的观点。