CN104216451B - 具有温度补偿的v/i变换器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电信号变换，提供了一种具有温度补偿的V/I变换器，包括：第一运放，接入待变换的电压信号；参考电阻输出变换后的电流信号；差动比例运算电路，为所述第一运放提供反馈电压信号；调零及温度补偿电路，所述调零及温度补偿电路包括晶体管，输出补偿电压信号到所述第一运放的反相输入端，所述补偿电压信号包括根据晶体管的压降温度特性输出温度补偿电压信号以及可调调零电压信号。利用晶闸管的正向压降温度特性调节反相加法器的输出，可以调整对V/I变换电路的温度补偿量值，利用调零电压调节反相加法器的输出，以补偿V/I变换器电路因其运算放大器失调电压、电阻精度等原因引起的变换精度误差。

Description

具有温度补偿的V/I变换器

技术领域

本发明属于电信号变换领域，尤其涉及一种V/I变换器温度补偿电路。

背景技术

电压电流变换电路（V/I变换器）在传感器信号处理或精密仪器仪表电路中是十分常见的单元电路。目前，采用运算放大器构成的V/I变换器电路得到广泛应用，但构成V/I变换器的运算放大器及其他电阻器件的温度特性造成V/I变换器具有一定的温度偏移。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种V/I变换器温度补偿电路，旨在解决采用运算放大器构成的V/I变换器存在温度漂移，导致电压电流转换不精确的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种具有温度补偿的V/I变换器，包括：

第一运放，正相输入端接入待变换的电压信号，并工作于深度负反馈；

参考电阻，其第一端与所述第一运放的输出端连接、第二端输出变换后的电流信号；

差动比例运算电路，其正输入端和负输入端分别与所述参考电阻的第一端和第二端连接，输出端与所述第一运放的反相输入端连接，所述差动比例运算电路为所述第一运放提供反馈电压信号；

调零及温度补偿电路，与所述第一运放的反相输入端连接，所述调零及温度补偿电路包括晶体管，输出补偿电压信号到所述第一运放的反相输入端，所述补偿电压信号包括根据晶体管的压降温度特性输出温度补偿电压信号以及可调调零电压信号。

上述具有温度补偿的V/I变换器通过第一运放、参考电阻以及差动比例运算电路构成的V/I变换电路可将接入的待变换的电压信号变换成变换后的电流信号输出，利用晶闸管的正向压降温度特性调节调零及温度补偿电路的输出的补偿电压信号，可以调整对V/I变换电路的温度补偿量值，同时也可以利用可调调零电压调节调零及温度补偿电路的输出补偿电压信号，以补偿V/I变换器电路因其运算放大器失调电压、电阻精度等原因引起的变换精度误差，解决了传统V/I变换器存在温度漂移，导致电压电流转换不精确的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有温度补偿的V/I变换器的基本原理图；

图2是本发明实施例提供的具有温度补偿的V/I变换器的电路原理图；

图3是lN4148二极管的管压降温度曲线图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种可以调节温度变化量的温度补偿电路，对V/I变换电路进行补偿，使V/I变换器输出电流温度稳定度小于1uA/℃或某一设定变化量。本发明的温度补偿电路具备温度变化量可调的特点。

如图1所示，示出了一优选实施例提供的具有温度补偿的V/I变换器的基本原理图，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。

具有温度补偿的V/I变换器包括第一运放U1、参考电阻Rcs、差动比例运算电路100以及调零及温度补偿电路200。

第一运放U1的正相输入端接入待变换的电压信号Vin，并工作于深度负反馈；参考电阻Rcs的第一端与所述第一运放U1的输出端连接，参考电阻Rcs的第二端输出变换后的电流信号Io；差动比例运算电路100的正输入端和负输入端分别与所述参考电阻Rcs的第一端和第二端连接，差动比例运算电路100的输出端与所述第一运放U1的反相输入端连接，差动比例运算电路100为第一运放U1提供反馈电压信号。

调零及温度补偿电路200与第一运放U1的反相输入端连接，调零及温度补偿电路200包括晶体管，调零及温度补偿电路200输出补偿电压信号到第一运放U1的反相输入端，所述补偿电压信号包括根据晶体管D1（参考图2）的压降温度特性输出温度补偿电压信号以及可调调零电压信号。

上述具有温度补偿的V/I变换器通过第一运放U1、参考电阻Rcs以及差动比例运算电路100构成的V/I变换电路可将接入的待变换的电压信号Vin变换成变换后的电流信号Io输出，利用晶闸管的正向压降温度特性调节调零及温度补偿电路的输出的补偿电压信号，可以调整对V/I变换电路的温度补偿量值，同时也可以利用调零电压调节调零及温度补偿电路的输出的补偿电压信号，以补偿V/I变换器电路因其运算放大器失调电压、电阻精度等原因引起的变换精度误差，解决了传统V/I变换器存在温度漂移，导致电压电流转换不精确的问题。

结合图1、2，在优选的实施例中，调零及温度补偿电路200包括晶体管模块202、调零补偿模块204、第二运放U2、可调电阻R1、分压电阻R2以及限流电阻R3。

晶体管模块202的输入端与一电源V+连接，晶体管模块202的输出端与第二运放U2的反相输入端电连接、晶体管模块202的接地端接地，调零补偿模块204与二电源V-连接并输出可调电压到第二运放U2的反相输入端。

可调电阻R1连接在第二运放U2的反相输入端与输出端之间，第二运放U2的正相输入端经分压电阻R2接地；第二运放U2的输出端经限流电阻R3与第一运放U1的反相输入端连接。

在优选的实施例中，晶体管模块202包括晶体管D1、输入电阻R9和输出电阻R10，晶体管D1的高电位端经输入电阻R9与一电源V+连接、并经输出电阻R10与第二运放U2的反相输入端连接，晶体管D1的地电位端接地。

优选地，晶体管D1为负温度特性的二极管，二极管的阳极经输入电阻R9与一电源V+连接，二极管的阴极接地。在其他实施例中，晶体管D1还可以是三极管或MOS管，此时三极管的基极、MOS管的栅极的可以接入高电平或低电平使其导通。

在优选的实施例中，调零补偿模块204包括可调电阻R11和输出电阻R12，可调电阻R11的第一端与二电源V-连接、第二端接地、滑动端经输出电阻R12与第二运放U2的反相输入端连接。

本实施例中，将一个调零电压V_set（参考图2中的斜体标记）和一个负温度特性的二极管正向电压VD_(t)作为主要由第二运放U2构成的反相加法器的两个输入量，该反相加法器输出便是含温度变化量的补偿电压信号V_o3(t)，补偿电压信号V_o3(t)的大小及温度变化量可由可调电阻R10及可调电阻R11设定。

在优选的实施例中，差动比例运算电路100包括第三运放U3、分压电阻R4、分压电阻R5、分压电阻R6、反馈电阻R7、限流电阻R8；

第三运放U3的反相输入端和正相输入端分别作为差动比例运算电路100的正输入端和负输入端，第三运放U3的正相输入端经分压电阻R4与参考电阻Rcs的第一端连接、并经分压电阻R6接地，第三运放U3的反相输入端经分压电阻R5与参考电阻Rcs的第二端连接、并经反馈电阻R7与其输出端连接，第三运放U3的输出端还经限流电阻R8与第一运放U1的反相输入端连接。

通过第一运放U1深度负反馈工作特性及差动比例运算电路100工作原理，应用两级运算放大器，便可以构成一个负载接地的V/I变换电路，其变换系数（mA/V）在一定范围内取决于电流参考电阻Rcs而与负载无关。

结合附图1至3，以其中一个实施例说明具有温度补偿的V/I变换器的工作原理。

第一运放U1、参考电阻Rcs以及差动比例运算电路100构成的V/I变换电路。

第一运放U1工作于深度负反馈状态，使得两个输入端处于虚短状态，其输出电压V_o1与两个输入端的电压信号V_in+和V_in-有如下关系：

V_o1=V_in+=V_in-； （1）

其中V_in+（同Vin）为希望转换为电流信号Io的电压输入信号；反馈电压信号V_in-由反馈环路（第三运放U3构成的差动比例运算电路100）输出提供。

图中第三运放U3、参考电阻Rcs、限流电阻R8、分压电阻R4、分压电阻R5、分压电阻R6、以及反馈电阻R7构成差动比例运算电路100。分压电阻R4、分压电阻R5、分压电阻R6以及反馈电阻R7的阻值相同。

由于分压电阻R4、分压电阻R5、分压电阻R6以及反馈电阻R7的阻值相同，故差动比例运算电路100的输出的反馈电压信号V_o2等于其输入电压，其输入电压为电流信号I_o（同Io）与参考电阻Rcs的阻值R_cs的乘积。即：

V_o2=I_o×R_cs； （2）

由于反馈电压信号V_o2直接反馈到第一运放U1的反相输入端，所以有：

V_in+=V_in-=V_o1=V_o2=I_o×R_cs； （3）

略去中间项，可得到输出电流I_o与输入电压V_in+的关系式

I_o=V_in+/R_cs或I_o=Vin/R_cs； （4）

从式（4）可以看出，该V/I变换电路已经实现待变换的电压信号Vin到变换的电流信号Io的转换，而且其变换系数（mA/V）只决定于参考电阻Rcs，一定范围内与负载无关。例如：如果参考电阻Rcs取的阻值为1KΩ，则变换系数=1mA/V。

图2中调零及温度补偿电路200即反相加法器的原理图。

图中第二运放U2、可调电阻R1、可调电阻R1、输出电阻R10、输出电阻R12、输入电阻R2、分压电阻R3、限流电阻R4以及二极管构成调零及温度补偿电路200，其输出补偿电压信号V_o3(t)为两路输入信号V_set和VD_(t)之和。即

$V_{o3\left(t\right)}=-[{\mathrm{VD}}_{\left(t\right)}\×\frac{R1}{R10}+(-V_{\mathrm{set}})\×\frac{R1}{R12}]$

$=-\frac{{\mathrm{VD}}_{\left(t\right)}\×R1}{R10}+\frac{V_{\mathrm{set}}\×R1}{R12};---\left(5\right)$

式（5）中第1项：为含二极管PN结正向压降温度特性的温度补偿电压信号。当恒定电流正向流过二极管时，其管压降有负的温度系数，对温度有较高的灵敏度、较好的线性，管压降与温度之间的关系可以表示为：

VD_(t)=V₀+kt； （6）

以lN4148二极管为例，式中：V₀为0℃时，lN4148的管压降；k为1N4148温度系数，k<0，通常为-2.0～-2.5mV／℃，图示如图3。

从式（5）中第1项温度补偿电压信号：可以看出利用二极管正向压降的温度特性，选择适当的可调电阻R1、输出电阻R10阻值，便可以调整温度补偿量值。

式（5）中第2项：为可调调零电压信号，用于补偿V/I变换电路因为运算放大器（第一运放U1和第三运放U3）失调电压、电阻精度等原因引起的变换精度误差，选择适当的可调电阻R1、输出电阻R12阻值，便可以调零电压补偿量值。

温度补偿V/I变换器实现：

本发明实施例将调零及温度补偿电路200输出的补偿电压信号V_o3(t)与差动比例运算电路100输出的反馈电压信号V_o2叠加到第一运放U1的反相输入端，即V_in-=V_o3(t)+V_o2，参照（3）式，可得加入调零及温度补偿电路200后有：

V_in+=V_in-=V_o1=V_o3(t)+V_o2=I_o×R_cs； （7）

将(5)式代入(7)并整理，可以得到

$I_o=\frac{\mathrm{Vin}++\frac{{\mathrm{VD}}_{\left(t\right)}\&times;R1}{R10}-\frac{V_{\mathrm{set}}\&times;R1}{R12}}{R_{\mathrm{cs}}};---\left(8\right)$

从式（8）看出，本发明的可以调节温度变化量的温度补偿电路，对V/I变换电路进行补偿，实现V/I变换器输出电流温度稳定度小于1uA/℃或某一设定变化量的设计目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有温度补偿的V/I变换器，其特征在于，包括：

第一运放，正相输入端接入待变换的电压信号，并工作于深度负反馈；

参考电阻，其第一端与所述第一运放的输出端连接、第二端输出变换后的电流信号；

差动比例运算电路，其正输入端和负输入端分别与所述参考电阻的第一端和第二端连接，输出端与所述第一运放的反相输入端连接，所述差动比例运算电路为所述第一运放提供反馈电压信号；

调零及温度补偿电路，与所述第一运放的反相输入端连接，所述调零及温度补偿电路包括晶体管，输出补偿电压信号到所述第一运放的反相输入端，所述补偿电压信号包括根据晶体管的压降温度特性输出温度补偿电压信号以及可调调零电压信号；

所述调零及温度补偿电路包括晶体管模块、调零补偿模块、第二运放、可调电阻R1、分压电阻R2以及限流电阻R3，其中，

所述晶体管模块的输入端与第一电源连接、输出端与所述第二运放的反相输入端电连接、接地端接地，所述调零补偿模块与第二电源连接并输出可调电压到所述第二运放的反相输入端；

所述可调电阻R1连接在所述第二运放的反相输入端与输出端之间；所述第二运放的正相输入端经所述分压电阻R2接地；

所述第二运放的输出端经所述限流电阻R3与所述第一运放的反相输入端连接。

2.如权利要求1所述的具有温度补偿的V/I变换器，其特征在于，所述晶体管模块包括所述晶体管、输入电阻R9和输出电阻R10，所述晶体管的高电位端经所述输入电阻R9与所述第一电源连接、并经输出电阻R10与所述第二运放的反相输入端连接，所述晶体管的地电位端接地。

3.如权利要求2所述的具有温度补偿的V/I变换器，其特征在于，所述晶体管为负温度特性的二极管。

4.如权利要求1所述的具有温度补偿的V/I变换器，其特征在于，所述调零补偿模块包括可调电阻R11和输出电阻R12，所述可调电阻R11的第一端与所述第二电源连接、第二端接地、滑动端经所述输出电阻R12与所述第二运放的反相输入端连接。

5.如权利要求1所述的具有温度补偿的V/I变换器，其特征在于，差动比例运算电路包括第三运放、分压电阻R4、分压电阻R5、分压电阻R6、反馈电阻R7、限流电阻R8；

所述第三运放的反相输入端和正相输入端分别作为所述差动比例运算电路的正输入端和负输入端，所述第三运放的正相输入端经分压电阻R4与所述参考电阻的第一端连接、并经分压电阻R6接地，所述第三运放的反相输入端经分压电阻R5与所述参考电阻的第二端连接、并经反馈电阻R7与其输出端连接，所述第三运放的输出端还经限流电阻R8与所述第一运放的反相输入端连接。