工業儀表的變送器中廣泛使用4_20mA電流環來傳輸測量信號，電流信號相比電壓信號更不容易被干擾，最小值為4mA而不為0mA，主要是便于檢測傳輸系統是否存在斷線損害的故障，在4_20mA電流環信號上還可以疊加數字信號，就形成了工業Hart通信協議。

4-20mA系統的現成芯片現在很多，比如TI/ADI都有，我們現在研究其電路結構原理，主要是為了更好地體會電路設計的精髓和為特殊應用設計所用，除了4-20mA還有系統使用0-24mA，保不齊將來你會使用5-25mA,這類特殊應用可沒有現成芯片可用了！

這類應用就是電壓轉電流的電路，電路結構很多，這里只列舉兩個經典設計，從中看看隱藏的電路設計秘籍

一、經典設計1

上圖是原理性電路，電路中除了存在負反饋R1/R2外，還有 正反饋R3/R4/RS ，這個正反饋用在線性電路里可能是有些人沒想到的，一般印象中正反饋都是在自激振蕩中使用，其實正反饋在非自激振蕩電路中一樣可以使用，只有電路整體負反饋大于正反饋，電路就不會自激振蕩，此電路參數選擇比較關鍵，見以下分析。

對于輸出端的電壓負反饋，其可以降低輸出阻抗為ro/(1+AF),當系統是正反饋且沒有自激時，輸出阻抗為ro/(1-AF)，不自激振蕩意味著輸出阻抗不為負阻抗還是正阻抗，即1-AF>=0,由于AF為正，可見1-AF應該是個小數，則意味著ro/(1-AF)>>ro，即正反饋引入后，只要參數設計合適不自激振蕩，對于輸出端的電壓反饋會導致輸出阻抗增加，最極端的情況就是1-AF=0，導致輸出阻抗無窮大，成為了真正的恒流源，這正是我們做電壓電流轉換最希望的，輸出電流不隨負載阻抗變化，真正的恒流源！以上經典電路是否如此？可以簡單推導一下：

輸出電流公式和輸出阻抗公式推導：

可見，R1R4+R1R5=R2R3時，理論上輸出阻抗為無窮大，是真正恒流源了。

負載電阻RL不能太大，Vom>=(Rs+RL)Iout => RL<=(Vom/Iout)-Rs,其中Vos是運放輸出的最大電壓，Iout是運放輸出的最大電流；雖然R3R4+R1Rs-R2R3=0時，理論上該結構的輸出阻抗非常大，但是運用時受運放最大輸出電壓和電流限制，其負載阻抗不能過大。

1)下圖是負載電阻掃描的分析結果：

負載電阻從1k變到4k歐姆，從下圖結果看輸出電流變化在1uA左右，非常穩定，說明電路基本等效為恒流源，輸出內阻非常高，從反饋角度說就是有正反饋存在的原因，此仿真用的是實際運放NE5532:

2)以下再對參數做一下靈敏度分析 ，看看哪個因素對電流穩定度影響最大，由于這次分析負載電阻固定，我們直接分析負載電阻R7的端電壓V(9)的靈敏度：

以下是結果：

可見電壓V2/V3的影響最小為0，R7為-1.52989mV/歐姆，V1的影響為-509.97235mV/V,此結果對嗎？我們手工分析計算一下：

a) 根據前述可得流過R7負載的電流為Iout=-{(R2+R6)/[R1*R5]}V1=-1.53mA,而負載電阻R7的端電壓V(9)=IoutR7,所以其靈敏度應該是-1.53mV/歐姆,仿真結果完全正確！

b) Iout=-{(R2+R6)/[R1R5]}V1=-0.51mAV1=> 負載電阻R7的端電壓V(9)=IoutR7=-0.51mA1kV1=-0.51*V1,所以相對V1的靈敏度為-0.51v/v=-510mv/v,仿真結果完全正確！

**c) **此電路中R5的影響較大

以上只是原理性電路，下圖是實際電路：

1. Q1是運放擴流，滿足20mA以上的輸出電流要求
2. 先在V1=0時，調整R9和R6，主要是調整R9使輸出電流為4mA
3. 再在V1=10v時，調整R12和R6，主要是調整R12使輸出為20mA
4. 以下是負載從100歐姆變化到500歐姆時的輸出電流仿真結果：

最大偏差在0.1mA,這主要是因為R6電阻沒有完全調平衡，這也是此電路調整上的缺點。

二、經典設計2

以下電路采用了MOSFET和電流鏡原理：

先看看仿真效果：

穩定度高的有點讓人懷疑。此電路的最大特點就是使用了MOS管和電流鏡像，R1/R11/運放U1A/C1構成了電流鏡讀取電路，還記得我們在以前推文中介紹的電壓鏡像讀取電路嗎？如下綠色部分：

兩者是不是有異曲同工之妙，其中電容C1是負反饋的相位超前補償網絡，避免系統自激振蕩的 。這種由對稱元件構成的電壓/電流鏡像讀取電路在模擬電路中很常用 ，它可以避免普通讀取電路的負載效應，可以實現無影響的高性能讀取！

三、小結

通過分享兩個經典的4-20mA電路設計電路，可以體會：

1. 正反饋在線性電路的應用，正反饋不光是構成自激振蕩，在輸出端電壓正反饋可以極大地提高輸出阻抗，以后我們還會分享在輸入端正反饋提高電路輸入阻抗的例子，那是可以用在微弱信號檢測電路上的。
2. 電流鏡像讀取電路與電壓鏡像讀取電路的結構和應用特點
3. mosfet和晶體管擴流應用