CN104811181A - 一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路及方法，包括运算放大器A1和偏置电流源，电流信号I_s和偏置电流源并联后通过电阻R4连接到运算放大器A1的反向输入端，运算放大器A1的正向输入端与地相连接，运算放大器A1的输出端通过电容C1与运算放大器A1的反向输入端相连接，运算放大器A1的输出端通过负反馈电阻R3连接到偏置电流源与电流信号I_s的并联节点，同时在该节点上对地并联电容C2。本发明采用电流源实现输入偏置，并通过单运算放大器实现有源滤波和电流到电压转换，电路简单，成本低廉，具有良好的应用前景。

Description

一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路及方法

技术领域

本发明涉及一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路及方法，属于电子电路技术领域。

背景技术

因电流信号具有很好的抗干扰能力，所以工业控制领域的很多传感器输出为电流信号，但是，由于多通道单极性ADC性价比很高，为适应单极性ADC的量程要求，在很多场合需要将来自传感器的双极性电流信号进行偏置转换为单极性信号，同时为了满足采样定理要求需要进行低通滤波。

目前，典型的方案是传感器输出的电流信号I_s先经过电流电压转换电路完成信号的电压转换，再经过一个加法器完成信号的偏移，如图1所示，一般情况下，电流电压转换电路和加法器电路均由运放构成，因此这种方案需要用到两片运算放大器，还有如果需要对输出信号再做滤波处理，往往还需要再增加一片运算放大器，因此，造成整个方案成本较高，同时，也会多占用印制电路板上的空间，不利于电路的成本控制与小型化设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的双极性电流信号进行偏置转换为单极性信号时需要多片运算放大器，占用印制电路板上的空间大，不利于电路的成本控制与小型化设计需要的问题。本发明的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路及方法，采用电流源实现输入偏置，并通过单运算放大器实现有源滤波和电流到电压转换，并可通过镜像电流源实现多通道的信号极性偏置，电路简单，成本低廉，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，其特征在于：包括运算放大器A1和偏置电流源，电流信号I_s和偏置电流源并联后通过电阻R4连接到运算放大器A1的反向输入端，运算放大器A1的正向输入端接地，运算放大器A1的输出端通过电容C1与其的反向输入端相连接，所述偏置电流源Ib用于实现待转换电流信号I_s的直流偏置，所述运算放大器A1的输出端还通过负反馈电阻R3连接到偏置电流源和电流信号I_s并联节点上，且在该并联节点与地之间并联有电容C2。

前述的一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，其特征在于：所述偏置电流源包括三极管Q1、可调电压基准源U1、电阻R1和电阻R2，所述可调电压基准源U1的A极通过电阻R1与电源端Vcc相连接，所述可调电压基准源U1的A极还与三极管Q1的基极相连接，所述可调电压基准源U1的K极与地相连接，所述三极管Q1的发射极通过电阻R2与地相连接，所述三极管Q1的发射极还与可调电压基准源U1的R极相连接，所述三极管Q1的集电极作为偏置电流源的输出端和电流信号I_s并联。

基于上述的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路的电流电压转换方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，构建用于实现电流信号I_s直流偏置的偏置电流源，偏置电流源的电流值I_b为，

I_b＝V_ref/R₂      (1)

其中，V_ref为可调电压基准源U1输出的基准电压；R₂为参考电阻；

步骤(2)，电流信号I_s与偏置电流源的电流值I_b进行叠加，并将叠加后的电流信号通过电阻R4与运算放大器A1的反向输入端相连接；

步骤(3)，将运算放大器A1的输出端通过负反馈电阻R3与电流信号I_s、偏置电流源叠加点相连接，并将运算放大器A1的正向输入端接地，取运算放大器A1的输出为输出电压U_o，则输出电压U_o为公式(2)所示，

U_o＝-(I_s+I_b)R₃    (2)

其中，R3为负反馈电阻R3的阻值；

步骤(4)，将运算放大器A1的输出端通过电容C1与运算放大器A1的反向输入端相连接，电流信号I_s、偏置电流源的叠加点与地之间并联有电容C2，形成有源的低通滤波电路，通过调节电阻R4、电容C1、电容C2的大小，实现调节低通滤波的带宽。

本发明的有益效果是：本发明的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，采用电流源实现输入偏置，并通过单运算放大器实现有源滤波和电流到电压转换，并使用镜像电流源实现多通道的信号极性偏置，并具有以下优点，

(1)使用电流源对输入进行直流偏置，偏置电路等效阻抗高，对信号电流分流很小；

(2)采用单运算放大器实现输入偏置、有源滤波、电流到电压变换；

(3)电路结构简单，使用器件少，易于集成，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是传统的电流电压转换电路的系统框图。

图2是本发明的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路的电路图。

图3是本发明的一实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，其包括运算放大器A1和偏置电流源，电流信号I_s和偏置电流源并联后通过电阻R4连接到运算放大器A1的反向输入端，运算放大器A1的正向输入端接地，运算放大器A1的输出端通过电容C1与其的反向输入端相连接，所述偏置电流源Ib用于实现待转换电流信号I_s的直流偏置，运算放大器A1的输出端通过负反馈电阻R3连接到偏置电流源和电流信号I_s并联节点上，在该并联节点与地之间并联有电容C2。

如图3所示，本发明的一个实施例电路，所述偏置电流源包括三极管Q1、可调电压基准源U1、电阻R1和电阻R2，三极管Q1为NPN型三极管，可调电压基准源U1为吸入式可调电压基准(如芯片TITL431等)，可调电压基准源U1的A极通过电阻R1与电源端Vcc相连接，所述可调电压基准源U1的A极还与三极管Q1的基极相连接，所述可调电压基准源U1的K极与地相连接，所述三极管Q1的发射极通过电阻R2与地相连接，所述三极管Q1的发射极还与可调电压基准源U1的R极相连接，所述三极管Q1的集电极作为偏置电流源的输出端和电流信号I_s并联。

根据上述的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路的电流电压转换方法，包括以下步骤，括以下步骤，

步骤(1)，构建用于实现电流信号I_s直流偏置的偏置电流源，偏置电流源的电流值I_b为，

I_b＝V_ref/R₂      (1)

其中，V_ref为可调电压基准源U1输出的基准电压；R₂为参考电阻；

步骤(2)，电流信号I_s与偏置电流源的电流值I_b进行叠加，并将叠加后的电流信号通过电阻R4与运算放大器A1的反向输入端相连接；

步骤(3)，将运算放大器A1的输出端通过负反馈电阻R3与电流信号I_s、偏置电流源的叠加点相连接，并将运算放大器A1的正向输入端接地，取运算放大器A1的输出U_o为最终输出，则输出电压U_o表示如下：

U_o＝-(I_s+I_b)R₃     (2)

其中，R3为负反馈电阻R3的阻值；

步骤(4)，将运算放大器A1的输出端通过电容C1与运算放大器A1的反向输入端相连接，待转换电流信号I_s、偏置电流源叠加点与地之间并联有电容C2，形成有源的低通滤波电路，通过调节电阻R4、电容C1、电容C2的大小，实现调节低通滤波的带宽，图3中输出电压U_o复频域的表达式如公式(3)所示

$U_o\left(s\right)=\frac{R_3(I_s+I_b)}{C_1{C}_2{R}_3{R}_4{s}^2+C_1(R_3+R_4)s+1}---\left(3\right)$

综上所述，本发明的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，具有以下优点，1)使用电流源对输入进行直流偏置，偏置电路等效阻抗高，对信号电流分流很小；2)采用单运算放大器实现输入偏置、有源滤波、电流到电压变换；3)电路结构简单，使用器件少，易于集成，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，其特征在于：包括运算放大器A1和偏置电流源，电流信号I_s和偏置电流源并联后通过电阻R4连接到运算放大器A1的反向输入端，运算放大器A1的正向输入端接地，运算放大器A1的输出端通过电容C1与其的反向输入端相连接，所述偏置电流源Ib用于实现待转换电流信号I_s的直流偏置，所述运算放大器A1的输出端还通过负反馈电阻R3连接到偏置电流源和电流信号I_s并联节点上，且在该并联节点与地之间并联有电容C2。

2.根据权利要求1所述的一种带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路，其特征在于：所述偏置电流源包括三极管Q1、可调电压基准源U1、电阻R1和电阻R2，所述可调电压基准源U1的A极通过电阻R1与电源端Vcc相连接，所述可调电压基准源U1的A极还与三极管Q1的基极相连接，所述可调电压基准源U1的K极与地相连接，所述三极管Q1的发射极通过电阻R2与地相连接，所述三极管Q1的发射极还与可调电压基准源U1的R极相连接，所述三极管Q1的集电极作为偏置电流源的输出端和电流信号I_s并联。

3.基于权利要求1或2所述的带有输入偏置和有源滤波的电流电压转换电路的电流电压转换方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，构建用于实现电流信号I_s直流偏置的偏置电流源，偏置电流源的电流值I_b为，

I_b＝V_ref/R₂    (1)

其中，V_ref为可调电压基准源U1输出的基准电压；R₂为参考电阻；

步骤(2)，电流信号I_s与偏置电流源的电流值I_b进行叠加，并将叠加后的电流信号通过电阻R4与运算放大器A1的反向输入端相连接；

步骤(3)，将运算放大器A1的输出端通过负反馈电阻R3与电流信号I_s、偏置电流源的叠加点相连接，并将运算放大器A1的正向输入端接地，取运算放大器A1的输出为输出电压U_o，则输出电压U_o为公式(2)所示，

U_o＝-(I_s+I_b)R₃   (2)

其中，R3为负反馈电阻R3的阻值；

步骤(4)，将运算放大器A1的输出端通过电容C1与运算放大器A1的反向输入端相连接，电流信号I_s、偏置电流源的叠加点与地之间并联有电容C2，形成有源的低通滤波电路，通过调节电阻R4、电容C1、电容C2的大小，实现调节低通滤波的带宽。