跨阻和跨導(dǎo)運算放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，將電壓轉(zhuǎn)換為電流。

圖 1.該跨阻放大器的傳遞函數(shù)等于-RF。

我們以儀表放大器的結(jié)束本系列的第 4 部分。與我們迄今為止描述的其他運算放大器和濾波電路一樣，儀表放大器是一個電壓輸入、電壓輸出設(shè)備。然而，有時我們可能需要一個電流輸入電壓輸出器件，稱為跨阻放大器[1]，或電壓輸入電流輸出器件，稱為跨導(dǎo)放大器[2]或壓控電流源。

問：跨導(dǎo)放大器是如何工作的？
答：圖1顯示了基本配置。因為我們知道 V- ? V+ ? 0，所以我們可以推導(dǎo)出以伏特每安培為單位的傳遞函數(shù)，如下所示：

問：跨阻放大器的典型應(yīng)用是什么？
答：有些傳感器最好被視為電流輸出設(shè)備--也就是說，它們的輸出電流隨被測參數(shù)線性變化。例如，基于光電二極管的光電探測器產(chǎn)生與入射光子成正比的短路電流。如果我們將光電探測器替換為圖 1 中的電流源，則輸出電壓表示照明水平。

圖2.光電二極管兩端的壓降會影響線性度。

問：為什么不直接用光電二極管驅(qū)動電阻器？
答：如圖2所示，如果光電二極管能夠產(chǎn)生所需的最大輸出電壓而不進入飽和狀態(tài)，我們就可以做到這一點。但是，即使避免飽和，也會損害線性度，因為線性度隨著輸出電流的增加而降低，從而增加光電二極管兩端的電壓。如圖1所示，無論二極管的輸出電流如何，光電二極管兩端的電壓都保持在零附近。

問：這對于光電探測器來說是有道理的，但顯然，這個零電壓工作點不適用于太陽能電池。
答：對。太陽能電池和光電二極管的工作原理都是響應(yīng)入射光子產(chǎn)生電流。但對于太陽能電池，我們并不關(guān)心線性度——我們只想在給定的照明水平下提取最大的功率。在圖 3 中，藍色曲線顯示了太陽能電池的典型電流-電壓 （I-V） 曲線。如您所說，在短路電流點 （我南卡羅來納州），電流處于最大值，但電壓和功率為零。在開路電壓點（V超頻），電壓最大，但電流和功率為零。最大功率點 （MPP） 介于兩者之間。

圖 3.對于 I-V 曲線以藍色顯示的太陽能電池，MPP 出現(xiàn)在垂直紅色箭頭處。

在圖中，最大功率約為開路電壓的 70% （V超頻）乘以短路電流（我南卡羅來納州），當單位電壓和電流分別為 0.78 和 0.89 時，會出現(xiàn) MPP。

問：跨導(dǎo)放大器有什么應(yīng)用？
答：既然我們談到了太陽能電池，我想到的一個是光伏 （PV） 電池模擬。如果您有太陽能電池在各種照明條件下的完整表征數(shù)據(jù)，則可以使用跨導(dǎo)放大器在實驗室中回放各種照明條件，而無需太陽和云層配合。這種能力可用于下游電源轉(zhuǎn)換或反相電路的設(shè)計和測試（圖 4）。

圖 4.跨導(dǎo)放大器可以促進光伏逆變器測試。

通過簡單的可調(diào)模擬輸入，跨導(dǎo)放大器可以在所有可能的照明條件下模擬光伏電池。仿真功能對于開發(fā)功率轉(zhuǎn)換器件的 MPP 跟蹤 （MPPT） 算法特別有用，該算法可確保器件在各種照明條件下保持在 MPP 上運行。然而，對于大功率光伏電池和面板串，您需要用恒流輸出模式下的開關(guān)模式可編程電源代替線性放大器以提高效率。即使是住宅光伏微型逆變器也可以有幾百瓦的額定功率。

問：還有哪些其他應(yīng)用？
答：跨導(dǎo)放大器可用于構(gòu)建濾波器和振蕩器。[3]跨導(dǎo)和跨阻放大器在使用 4-20 mA 電流環(huán)路傳輸命令和傳感器輸出的過程控制系統(tǒng)中也很有用。每個環(huán)路只能攜帶一個變量，但該技術(shù)由于其抗噪性和可靠性而仍然有用。圖5顯示了一個電流環(huán)路將命令傳送到泵，而另一個電流環(huán)路將數(shù)據(jù)從流量傳感器傳回控制器。使用這些環(huán)路時，20 mA 等于 100% 滿量程，4 mA 等于 0% 滿量程，消除了不知道 0-mA 讀數(shù)是否表示 0% 滿量程或開路或短路的歧義。

圖 5.4-20 mA 電流環(huán)路承載命令（藍色）和傳感器數(shù)據(jù)（紅色）。

在這樣的系統(tǒng)中，跨導(dǎo)放大器可以將熱電偶等傳感器的電壓輸出轉(zhuǎn)換為 4-20 mA 電平，跨阻放大器可以將電流信號轉(zhuǎn)換為控制器或儀表所需的電壓電平。電流環(huán)路跨阻放大器沒有采用圖1中的配置，而是利用電流檢測電阻器（如我們在第2部分中討論的那樣）來避免電壓轉(zhuǎn)換問題。在 4 至 20 mA 系統(tǒng)中，跨導(dǎo)和跨阻放大器通常分別稱為發(fā)射器和接收器。