高边 V/I 电路原理

高边电压电流转换电路能够出色地为接地负载提供可调节的电流。该电路采用两级设计结构，第一级由（OPA）和 N 沟道金属 - 氧化物 - 半导体场效应（NMOS）组成，其作用是将输入电压 VIN 转换为以为参考的信号，以此来驱动第二级的运算。第二级的运算放大器则通过控制 P 沟道金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（PMOS）的栅极，实现对负载电流的调节。
电路的电压 - 电流（V - I）转移函数与输入电压 VIN 以及三个用于感应电流的电阻 RS1、RS2 和 RS3 之间的关系密切相关。VIN 和 RS1 之间的关系决定了理论上第一阶段的电流，即 VRS1 = VIN。而从第一级到第二级的电流增益则取决于 RS2 和 RS3 之间的关系，其中 IRS2 近似等于 IRS1，VRS3 近似等于 VRS2，负载电流 ILOAD 近似等于 IRS3。最终的负载电流公式便是基于这些关系推导得出。

设计案例

设定目标为 5V 供电，输入电压 VIN 在 0 - 2V 之间变化，输出电压 Vout 为 4.5V，输出电流范围是 0 - 100mA，且效率要达到 98%。具体参数如下：

• 电源电压：5V 直流电
• 输入电压范围：0 - 2V 直流电
• 输出电压：4.5V/0 - 100mA 直流电
• 效率：98%
• 增益误差：0.1%

设计 RS1

需要注意的是，第一级电路并不直接为负载提供功率，但其产生的电流耗能会直接影响整个系统的效率。为了确保达到 98.5% 的效率目标，同时为运算放大器的静态电流留出足够的空间，我们将第一级的功耗限制在满量程输出电流的 1%。因此，当输出为 100mA 满量时，应将第一级 IRS1 中的电流设计为 1mA。根据公式 VRS1 = VIN = 2V，可计算出 RS1 = VIN ÷ IRS1 = 2V ÷ 1mA = 2KΩ。

设计 RS2/RS3

电路的第二级主要负责产生驱动负载的输出电流。由于运算放大器 A2 的同相输入端（IN +）电压近似等于反相输入端（IN -）电压，所以 VRS3 近似等于 VRS2。考虑到采用 5V 供电，且希望 Vout = 4.5V，在满量程时需要使 VRS3 在 500mV 以下。假设 Q2 的压降为 0.3V，那么 VRS3 为 470mV。由此可计算出 RS2 = VRS3 ÷ IRS2 = 470mV ÷ 1mA = 470Ω，RS3 = VRS3 ÷ ILOAD = 470mV ÷ 100mA = 4.7Ω。

运放补偿设计：R2/R3/C6/R4/R5/C7

为了保证电路能够稳定运行，在这两个阶段都需要加入补偿组件。当运算放大器驱动容性负载（如 MOS 管的寄生电容 Cgs）时，容易产生输出振荡。而经过补偿后的电路结构是经典的运放双反馈回路，具体可参考相关的双反馈设计。

器件选择

• 运算放大器：最好选择具有低失调电压和低温度漂移特性的产品，这样可以提高电路的稳定性和精度。
• ：要确保运算放大器能够有效控制其栅极，推荐选择低阈值电压 VGS (th) 的 MOSFET，同时要保证 VGS、GSDS、ID 等参数不超过额定值，以避免器件损坏。
• 电阻选用（精确度要求）：作为电路转移函数关键组成部分的三个电阻 RS1、RS2、RS3，对输出电流的精确度有着重大影响。如果要满足 0.1% FSR 的增益误差设计目标，这几块电阻的容差最好选择 0.1%。因为第一级电流在第二级会乘以 RS2 和 RS3 的比值，所以第一阶段的设计精准度尤为重要，一旦第一阶段出现误差，在第二阶段会被放大并传递到输出端。因此，如果想要进一步提高精度，可能还需要降低 RS1 电阻的公差。