设计目标

设计说明

该电路可以为负载 R_L 提供精确的低电平电流 I_L。该设计由 5V 单电源供电，并使用一个精密低漂移运算放大器和一个仪表放大器。经过简单修改即可更改电压-电流 (V-I) 转换器的范围和精度。

设计说明

1. 电压顺从性取决于运算放大器线性输出摆幅（请参阅数据表 A_OL 测试条件）和仪表放大器线性输出摆幅。有关更多信息，请参阅模拟工程师计算器。
2. 电压顺从性与 R_LMin、R_LMax 和 R_set 一起决定了 I_L 范围。
3. 检查运算放大器和仪表放大器输入共模电压范围。
4. 必须执行稳定性分析，以便为稳定的运行选择 R₄ 和 C₁。
5. 对于每个设计，用于选择 R₄ 和 C₁ 的环路稳定性分析是不同的。所示的补偿仅适用于该设计中使用的阻性负载范围。其他类型的负载、运算放大器或仪表放大器或两者需要不同的补偿。有关更多运算放大器稳定性资源，请参阅设计参考 部分。

设计步骤

1. 根据电压顺从性选择 R_set 并检查 I_LMin。
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{LMax}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oOPAMax}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}+{\mathrm{R}}_{\mathrm{LMax}}}$
   $\text{10}\mathrm{\mu A}=\frac{\text{4.9}\mathrm{V}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}+\text{390}\mathrm{k\Omega }}\to {\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}=\text{100}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{LMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oOPAMin}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}+{\mathrm{R}}_{\mathrm{LMin}}}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{LMin}}=\frac{\text{0.1}\mathrm{V}}{\text{100}\mathrm{k\Omega }+\text{0}\mathrm{\Omega }}=\text{1}\mathrm{\mu A}$
   
2. 计算仪表放大器增益 G。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{setMin}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LMin}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}=\text{1}\mathrm{\mu A}\times \text{100}\mathrm{k\Omega }=\text{0.1}\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{setMax}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LMax}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}=\text{10}\mathrm{\mu A}\times \text{100}\mathrm{k\Omega }=\text{1}\mathrm{V}$
   $\mathrm{G}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{setMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{setMin}}}$
   $\mathrm{G}=\frac{\text{4.9}\mathrm{V}-\text{0.49}\mathrm{V}}{\text{1}\mathrm{V}-\text{0.1}\mathrm{V}}=4.9$
3. 为 INA326 仪表放大器增益 G 选择 R₁。使用数据表建议的 R₂ = 200kΩ 和 C₂ = 510pF。
   $\mathrm{G}=2\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{2\times {\mathrm{R}}_2}{\mathrm{G}}$
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{2\times \text{200}\mathrm{k\Omega }}{4.9}\right)=\text{81.6327}\mathrm{k\Omega }\approx \text{81.6}\mathrm{k\Omega }$
4. 该电路的最终传递函数遵循：
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{G}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{set}}}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}{4.9\times \text{100}\mathrm{k\Omega }}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}{\text{490}\mathrm{k\Omega }}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}=\text{0.49}\mathrm{V}\to {\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=\text{1}\mathrm{\mu A}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}=\text{4.9}\mathrm{V}\to {\mathrm{I}}_{\mathrm{L}}=\text{10}\mathrm{\mu A}$

设计仿真

直流仿真结果

设计参考资料

德州仪器 (TI)，SBOMAT8 TINA-TI™ 电路仿真，文件下载

德州仪器 (TI)，低电平电压电流转换器参考设计，0V 至 5V 输入，0µA 至 5µA 输出，产品页面

德州仪器 (TI)，解决运算放大器稳定性问题，E2E^TM 放大器论坛

设计特色运算放大器

设计采用的仪表放大器