可產生線性電流控制信號的電路及其方法
2023-07-08 10:00:31
專利名稱：可產生線性電流控制信號的電路及其方法
技術領域：
本發明是關於一種控制電路，特別是一可產生線性電流控制信號的控制電路。
背景技術：
在一般工業應用領域中，常須藉由產生精準穩定的控制信號，以控制設備進行預期的操作或流程。其中控制信號可分為電壓控制信號及電流控制信號，電流控制信號又以0～20mA的電流控制信號最廣為運用。
電流控制信號以線性電流控制信號最為理想，藉由輸出電流控制信號及輸入電壓信號間的線性關係，進行精準的控制。然而，在傳統產生電流控制信號的電路中，因為電路本身的屬性及零件選用的限制，在產生電流控制信號的同時，皆會伴隨產生一可變誤差，導致該電流控制信號成為一包含可變誤差的非線性電流控制信號，而無法達成良好控制的目的。
圖1為現有技術中常用的產生電流控制信號的代表電路，如圖所示，是由兩個運算放大器與電阻所組成的控制電路，包含一第一運算放大器11、一第二運算放大器12、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4及一第五電阻R5，VIN為該電路的輸入電壓信號，IO為該電路的輸出電流控制信號。由圖1的電路可成立二關係式，分別為V-=(R1R1+R2)*VP,]]>即VP=(R1+R2R1)*V-]]>(第一式)(VP-R5IO)-V+R4+VIN-V+R3=0]]>(第二式)
將VP=(R1+R2R1)*V-]]>代入(VP-R5IO)-V+R4+VIN-V+R3=0,]]>可得IO=R4R5R3*VIN+(R1+R2R5R1)*V--(R3+R4R5R3)*V+]]>(第三式)IO=R4R5R3*VIN+(R1+R2R5R1)*V--(R3+R4R5R3)*V+]]>可簡化表示為IO＝K*VIN+D(第四式)其中K為一常數( )；D為一誤差((R1+R2R5R1)*V--(R3+R4R5R3)*V+]]>)；因此，假若K與D皆為常數，則輸出電流控制信號IO將正比於輸入電壓信號VIN。然而，在實際情況下，R1、R2、R3、R4的選用值與符合上述要求的理想值皆會有誤差，且一般的運算放大器的二輸入端V+及V-間皆存在一偏壓電流的偏壓值VBIAS及一偏移電壓VOFFSET，亦即V-＝V++VOFFSET+VBIAS，而V-與V+值亦會隨著輸出電流控制信號IO而變化。故實際上誤差D為一可變值，欲使誤差D為一常數或甚至為零，在實際情況中幾乎不可能。因此，輸出電流控制信號IO，相對於其輸入電壓信號VIN，在實際上為一包含可變誤差的非線性電流控制信號，而難以借其達到精準控制的目的。
而若為了降低可變誤差，選用高精準度(即低誤差)的零件，亦僅能降低前述可變誤差而已，而無法完全消除該可變誤差，故仍無法改變該電流控制信號為一包含可變誤差的非線性電流控制信號的事實。且欲明顯降低該可變誤差而特別選用的高精準度零件，價格約比其它一般零件價格高約三倍以上，造成成本上的負擔。
發明內容
鑑於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一可產生線性電流控制信號的電路，藉以產生線性電流控制信號，並消除影響輸出電流的可變誤差，以進行精準的控制。
因此，為達上述目的，本發明提供一種可產生線性電流控制信號的電路，是根據一輸入電壓產生一線性輸出電流，包括有一阻抗組件，用以輸入一參考電壓並輸出一線性電壓；一運算放大器，根據該線性電壓與該輸入電壓輸出一柵控電壓；以及一壓控組件，當該柵控電壓超過該壓控組件的起始電壓時，將該線性電壓輸出為該線性輸出電流。
本發明提供一種可產生線性電流控制信號的電路，是根據一輸入電壓產生一線性輸出電流，包括有一運算放大器，具有一第一電壓輸入端與一第二電壓輸入端與一電壓輸出端，並根據該輸入電壓與一參考電壓輸出一柵控電壓；一電阻，耦合至該第一電壓輸入端，並根據該參考電壓產生一線性電流；以及一金氧半場效應管，具有一漏極端、一源極端與一柵極端，該漏極端耦合至該第一電壓輸入端，該柵極端耦合至該電壓輸出端，當該柵控電壓超過該金氧半場效應管的起始電壓時，該線性電流經由該金氧半場效應管輸出為該線性輸出電流。
本發明還提供一種可產生線性電流控制信號的方法，包括下列步驟輸入一參考電壓與一輸入電壓；根據該參考電壓輸出一線性電壓；根據該參考電壓與該輸入電壓輸出一柵控電壓；以及運用該柵控電壓以控制一壓控組件的開關，當該柵控電壓超過該壓控組件的起始電壓時，將該線性電壓輸出為一線性輸出電流。
藉由本發明所揭露的可產生線性電流控制信號的電路，僅使用一般規格的零件，經由電路的設計，便可使因電路所產生的誤差值為一常數(即固定誤差)，而使輸出電流控制信號與其輸入電壓信號間呈現完全線性的關係，改善過去難以克服的控制電流信號非線性的情形，即使在無回授設計的控制系統中，亦可達到精準穩定的控制。
圖1為現有技術中可產生線性電流控制信號的電路圖；圖2為本發明可產生線性電流控制信號的電路圖；圖3為本發明可產生線性電流控制信號的輸入電壓與輸出電流的關係圖。
具體實施例方式
本發明所揭露的概念是藉由運算放大器，根據一參考電壓與一輸入電壓輸出一柵控電壓，並藉由一壓控組件，使得柵控電壓超過該柵控組件的起始電壓時，一線性輸出電流可經由該柵控組件輸出。
本發明所提供的可產生線性電流控制信號的電路如圖2所示，包含一運算放大器21、一阻抗組件22以及一壓控組件23，其中阻抗組件22是為一電阻，壓控組件23是為一絕緣柵場效應管(金屬氧化半導體場效應管，MOSFET)。
如圖所示，運算放大器21具有一第一電壓輸入端211與一第二電壓輸入端212與一電壓輸出端213，電阻22是耦合至運算放大器21的第一電壓輸入端211；金氧半場效應管23，具有一漏極端231、源極端232與一柵極端233，其漏極端231耦合至運算放大器21的第一電壓輸入端211，柵極端233耦合至運算放大器21的電壓輸出端213。
本發明所揭露的線性電流控制信號是由一參考電壓產生，參考電壓經過電阻22壓降後將輸出一線性電壓，此線性電壓除以電阻值即為電流值；而運算放大器21，則用以根據線性電壓與輸入電壓輸出一柵控電壓，柵控電壓是用以控制金氧半場效應管23的開啟狀態，當柵控電壓超過金氧半場效應管23的起始電壓(Threshold voltage)時，金氧半場效應管23是為開啟(ON)的狀態，此時，經由電阻22產生的線性電流可經由金氧半場效應管23輸出為線性輸出電流。
換言之，本發明是輸入一參考電壓與一輸入電壓，參考電壓經過電阻22壓降的後輸出一線性電壓；並利用一運算放大器21以比較該參考電壓與該輸入電壓，並據以輸出一柵控電壓，用以控制金氧半場效應管23的開關，使得當金氧半場效應管23開啟時，參考電壓可經由金氧半場效應管23輸出為一線性輸出電流。另外，在金氧半場效應管23的漏極231及源極232間可再並聯一電容以濾除噪聲，藉以改善電流震蕩的情形，使輸出電流更為穩定。
續說明可產電性電流控制信號的電路的依據。運算放大器21的第一電壓輸入端211與第二電壓輸入端212分別為V+及V-，I1為節點電流，VREF為一參考電壓，VIN為輸入電壓，IO為線性輸出電流。
由該電路可形成一關係式I1=VREF-V+R]]>(第五式)另該運算放大器21第一電壓輸入端211與第二電壓輸入端212及其偏壓電流的偏壓值VBIAS和偏移電壓VOFFSET所形成的關係為VIN＝V-＝V++VOFFSET+VBIAS，即V+＝VIN-(VOFFSET+VBIAS)(第六式)將第六式代入第五式，並藉由金氧半場效應管23的壓控特性，使得IO＝I1，可得第七式IO=-VINR+VREF+VOFFSET+VBIASR]]>(第七式)I0=-VINR+VREF+VOFFSET+VBIASR]]>可簡化為IO＝K1*VIN+D1(第八式)
其中K1為IO與VIN關係圖的斜率，是為一常數( )；D1為一誤差，其亦為一常數( )；因此，只要誤差D1為一常數的固定誤差，則輸出電流控制信號IO與輸入電壓信號VIN間為一線性關係，斜率為K1，其關係圖如圖3所示，為一正斜率的線性關係。
故依據本發明所揭露的可產生線性電流控制信號的電路，可將一輸入電壓轉換成一線性電流輸出，而達到精準控制的目的。
權利要求
1.一種可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於包括有一阻抗組件，用以輸入一參考電壓並輸出一線性電壓；一運算放大器，根據該線性電壓與該輸入電壓輸出一柵控電壓；以及一壓控組件，當該柵控電壓超過該壓控組件的起始電壓時，將該線性電壓輸出為該線性輸出電流。
2.如權利要求1所述的可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於該阻抗組件是為一電阻。
3.如權利要求1所述的可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於當該柵控電壓超過該壓控組件的起始電壓時，該壓控組件為開啟。
4.如權利要求1所述的可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於該壓控組件是為一金氧半場效應管，具有一漏極端、一源極端與一柵極端。
5.如權利要求4所述的可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於該金氧半場效應管的該源極及該漏極間更並聯有一電容以濾除噪聲。
6.一種可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於包括有一運算放大器，具有一第一電壓輸入端與一第二電壓輸入端與一電壓輸出端，並根據該輸入電壓與一參考電壓輸出一柵控電壓；一電阻，耦合至該第一電壓輸入端，並根據該參考電壓產生一線性電流；以及一金氧半場效應管，具有一漏極端、一源極端與一柵極端，該漏極端耦合至該第一電壓輸入端，該柵極端耦合至該電壓輸出端，當該柵控電壓超過該金氧半場效應管的起始電壓時，該線性電流經由該金氧半場效應管輸出為該線性輸出電流。
7.如權利要求6所述的可產生線性電流控制信號的電路，其特徵在於該金氧半場效應管的該源極及該漏極間更並聯有一電容以濾除噪聲。
8.一種可產生線性電流控制信號的方法，其特徵在於包括下列步驟輸入一參考電壓與一輸入電壓；根據該參考電壓輸出一線性電壓；根據該參考電壓與該輸入電壓輸出一柵控電壓；以及運用該柵控電壓以控制一壓控組件的開關，當該柵控電壓超過該壓控組件的起始電壓時，將該線性電壓輸出為一線性輸出電流。
9.如權利要求8所述的可產生線性電流控制信號的方法，其特徵在於該壓控組件為一金氧半場效應管。
全文摘要
一種可產生線性電流控制信號的電路及其方法，根據一輸入電壓產生一線性輸出電流，包括有一阻抗組件，用以輸入一參考電壓並輸出一線性電壓；一運算放大器，根據線性電壓與輸入電壓輸出一柵控電壓；以及一壓控組件，當柵控電壓超過壓控組件的起始電壓時，輸出一線性輸出電流。限據本發明所揭露的電路，其輸入電壓與線性輸出電流間的誤差是為一固定常數，使得輸入電壓與線性輸出電流間可維持一穩定的線性關係。
文檔編號H03K17/00GK1499721SQ0214927
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月8日 優先權日2002年11月8日
發明者陳朝景 申請人:臺達電子工業股份有限公司