跨阻和跨導運算放大器將電流轉換為電壓，將電壓轉換為電流。

圖 1.該跨阻放大器的傳遞函數等于-RF。

我們以儀表放大器的結束本系列的第 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，稱為跨導放大器[2]或壓控電流源。

問：跨導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，所以我們可以推導出以伏特每安培為單位的傳遞函數，如下所示：

問：跨阻放大器的典型應用是什么？
答：有些傳感器最好被視為電流輸出設備--也就是說，它們的輸出電流隨被測參數線性變化。例如，基于光電二極管的光電探測器產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動電阻器？
答：如圖2所示，如果光電二極管能夠產生所需的最大輸出電壓而不進入飽和狀態，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入射光子產生電流。但對于太陽能電池，我們并不關心線性度——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 MPP。

問：跨導放大器有什么應用？
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據，則可以使用跨導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換或反相電路的設計和測試（圖 4）。

圖 4.跨導放大器可以促進光伏逆變器測試。

通過簡單的可調模擬輸入，跨導放大器可以在所有可能的照明條件下模擬光伏電池。仿真功能對于開發功率轉換器件的 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：還有哪些其他應用？
答：跨導放大器可用于構建濾波器和振蕩器。[3]跨導和跨阻放大器在使用 4-20 mA 電流環路傳輸命令和傳感器輸出的過程控制系統中也很有用。每個環路只能攜帶一個變量，但該技術由于其抗噪性和可靠性而仍然有用。圖5顯示了一個電流環路將命令傳送到泵，而另一個電流環路將數據從流量傳感器傳回控制器。使用這些環路時，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 電流環路承載命令（藍色）和傳感器數據（紅色）。

在這樣的系統中，跨導放大器可以將熱電偶等傳感器的電壓輸出轉換為 4-20 mA 電平，跨阻放大器可以將電流信號轉換為控制器或儀表所需的電壓電平。電流環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）來避免電壓轉換問題。在 4 至 20 mA 系統中，跨導和跨阻放大器通常分別稱為發射器和接收器。