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I/V转换电路的转换率和增益

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 楼主 | 2019-8-26 20:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
                I/V转换电路的转换率和增益
  
I/V转换电路输出/输入特性有两个放大系数,一是电流输入信号A/V转换比率Rate=U/Ii=Rf,输入电流Ii在电阻Rf的电流If流向输出端,定义为负,所以U=-IiRf=-IfRf。另一个电压输入信号V/V增益Gain=U/Vi=-1运放-端输入一个电压Vi,在电阻Rf就有电流If=Vi/Rf流向输出端,电流方向定义为负,输出端电压就是U=-IfRf,将If=Vi/Rf代入,U=-(Vi/Rf)Rf=-Vi。或者这样分析,电流源内阻无限大,-端对地开路,将信号视为地输入,电路是电压跟随器,地输入是信号Vi的电压反相,所以电压增益-1
      
那么用一个电压源直接在-端输入将如何?电压源内阻r=0,增益Rf/r=Rf/0无意义。用有内阻的电压源或者通过一个电阻输入,电路已经变为反向比例运算模式。
I-V.GIF
  

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| 2019-8-26 21:17 | 显示全部楼层
不错的想法, 只是有的时候, 电流源不能达到输入条件

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captzs 2019-8-26 21:31 回复TA
您好,我想知道,你所说的输入条件是不是指信号源内阻和接入电容? 
| 2019-8-26 21:36 | 显示全部楼层
还有能否输出负电压能力

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captzs 2019-8-26 22:14 回复TA
这里主要讲两个放大系数。带负载能力看来需要跟随器。接入电容和补偿电容再考虑以后是否贴出。谢谢! 
 楼主 | 2019-8-26 22:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 captzs 于 2019-8-26 22:17 编辑

如何证明RateGain
右电路,当输入电流Ii=0时,Vos=0A运放Ib-=(0.5e-7)电流从-端流到运放内部地,与Ii同向定义为负,按照比率计算输出失调电压Ua=-Rf(-Ib-)=(1e+8)(0.5e-7)=5V(波形图黑点),就成了输入电流Ii转换电压的直流分量,在确定Rf电阻值时为了防止饱和,就要充分估算Ib-参数,尽量选择小的。
左电路,当Ii=0时,Ib-=0 B运放-Vos=-7mV,这样的电压输入保持I/V转换电路结构不变,按照电压增益-1计算输出失调电压Ub=-1(-7)= 7mV(波形图红点)。两个仿真结果与楼上的分析一致,对电流和电压信号的放大系数不一样。区分和计算放大系数,是选择电路和运放参数的依据。
转换率.GIF

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 楼主 | 2019-8-27 20:24 | 显示全部楼层
电阻Rf的取值
   I/V转换电路参数的选择Rf=(Vcc-DV)/Is首当其冲,DV包括运放电源轨修正和失调电压以及富裕量,只有失调电压项有选择的空间,Ib电流参数当然是越小越好。这里要探讨的是,如何调0失调电压,以提高对信号的检测精度,降低对运放参数的要求。运放-Ib-产生的失调电压Uib=RfIb-,如果在+端设置接地电阻Rib,由Ib+产生RibIb+=RfIb-,就可以相抵消,移项得Rib=RfIb-/Ib+。再增加Rvos=Vos/(Ibs+0.5Ios)抵消Vos产生的失调电压。这样,在失调电压调0电阻Rc=Rib+Rvos=(RfIb-/Ib+)+Vos/Ib+必须指出:这些计算是为了估算范围,然后取很大的余量使电路改正远离,即使器件出现误差偏移都不会进入估算范围以保证电路工作稳定。
   例如用LM358运放,电源Vcc=14VIs=1e-10AVos=0.002VIbs=4.5e-8AIos=5e-9A。即,
   估算Vcc-DV=12V,即Rf=12/(1e-10)=12e+10Ω,取100M=1e+8Ω。
Rc=(RfIb-/Ib+)+Vos/Ib+=(1e+8)(42.5e-9)/(47.5e-9)+0.002/(47.5e-9)=89.47+0.0421=89.512M/仿真89.5229
         这样,用参数不怎么样的运放,将小于nA电流信号转换成mV电压输出,误差小于1%


Rf选择.GIF

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 楼主 | 2019-8-31 17:44 | 显示全部楼层
I/V电路的补偿电容渲染过头,注意力都被吸引过去。实际上反馈电阻Rf选择不当,以及失调电压没有处理妥当,后面补偿电容和运放GBW计算就失去依据。楼上低档次的LM358运放可以得到精度很高的I/V转换。不采取失调电压调0措施,对运放参数要求很高。例如LMC6062,与上述同样的电路指标,仿真误差0.1/10=1%,增大100倍。
失调调0.GIF

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 楼主 | 2019-9-2 11:19 | 显示全部楼层
*),同样的电路参数,右运放的Vos比左运放小得多,为什么就饱和了?
  右运放Ib-=1.99985e-7A,比输入电流1e-10A1.99975e-7A,转换率1e+8,输出Ub=19.9975V,而ad844的供电11V已饱和。
  左运放Ib-=4.25e-8A,比输入电流1e-10A4.24e-8A,转换率1e+8,输出Ub=4.25V。而LM358的供电是14V不饱和。
不是为了准确计算,而是估算运放的Ib参数的上限以便选择。当出现饱和时,就不会说“补偿电容已经用得很大”的外行话。

Ib计算.GIF

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 楼主 | 2019-9-3 08:58 | 显示全部楼层
网上一讲到I/V转换电路,大多首先就抬出以下由输入电容引起的振荡波,一个矩形波(红色)输入变成黑色的振荡波输出,接着就讲如何消除,结果给大家一个错觉,以为补偿电容一解决就什么都行,导致将饱和问题甩锅给补偿电容。殊不知,该电路必须计算选择的参数有:RfVosIb、电路误差、补偿电容和GBW。本帖讲到此,仅解决反馈电阻Rf的计算选择以及VosIb的简单估算,还差不少。不过我只会仿真,就算娱乐到此。如果有那位象陈老师一样的高人,用电路板实验发帖分享那就感谢。
0点振荡.GIF

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| 2019-9-3 14:34 | 显示全部楼层
其实也就是电路基础里讲的理想电压源和理想电流源无对应等效关系,而实际源电压电流源可以用戴维宁或诺顿等效。你强行用理想电压源找关系出发点就说不通。

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| 2019-9-3 16:59 | 显示全部楼层
2968821D-2F0A-4695-A3DD-499A587E29F2.jpeg
用电压反馈的观念看,Ri为0,反馈无效

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 楼主 | 2019-9-3 17:40 | 显示全部楼层
ohayou 发表于 2019-9-3 16:59
用电压反馈的观念看,Ri为0,反馈无效

说得对!首楼我也这样说:"那么用一个电压源直接在-端输入将如何?电压源内阻r=0,增益Rf/r=Rf/0无意义。用有内阻的电压源或者通过一个电阻输入,电路已经变为反向比例运算模式。"

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