在电子电路设计领域，电压转电流电路是一种常见且重要的电路类型，它能够将输入的电压信号转换为相应的电流信号输出。今天，我们将详细介绍一个基于 TI 参考设计的电压转电流电路，该电路的设计目标是实现 5V 电源供电、0 - 2V 输入以及 0 - 100mA 输出。　　设计目标

　　本电路的设计目标明确，电源电压为 5V，输入电压范围是 0 - 2V，输出电流范围为 0 - 100mA。这样的设计可以满足许多实际应用场景的需求，例如信号处理、工业控制等领域。
　　电路原理
　　该电路由两级组成，每一级都有其独特的功能和作用。
　　第一级：电流吸收（Current Sink）
　　第一级使用运放和 NMOS 管，其主要功能是将以地为基准的输入电压转换为以电源为基准的信号。根据 “虚短虚断” 原理，Rs1 上的电压等于输入电压 Vin。由于设计目标是 0 - 2V 输入，为了减少第一级的能量损耗，我们将第一级的电流设计为最大 1mA，即当整个电路满量程电压输入 2V、电流输出 100mA 时，电阻 Rs1 上面流过 1mA 电流。由此可以确定电阻 Rs1 的选型。
　　需要注意的是，电路的第一级不向负载输送功率，由电源产生的电流在第一级等于是损耗了，同时运放的静态电流也会消耗能量。NMOS 管导通后，上下电流相等，其导通条件需要根据具体的电路参数和器件特性来确定。
　　第二级：电流源（Current Source）　　第二级输出的电流可以驱动负载。第二级运放的同向输入端取自电阻 Rs2 上面的压降，同样根据 “虚短虚断” 原理进行分析。为了将电源电压都加在负载电阻上面，Rs3 需要尽可能的小。在满量程时，我们可以根据电路的具体参数和设计要求来确定 Rs3 的取值。

　　图为第二级电路示意
　　补偿组件
　　第一级和第二级都需要补偿部件以确保电路的设计稳定性。第一级的 R2、R3、C6 以及第二级的 R4、R5、C7 都是用于补偿电路的。
　　运放输出端连接 MOS 管的电阻是隔离电阻，它的作用是将运放与 MOS 管栅极的容性负载（寄生电容）隔离，避免容性负载对运放输出产生影响。
　　MOSFET 的增益在高频下通过输出端直接提供反馈到运放的反相输入端的反馈电容在反馈回路中去除，这种转变发生的频率大致基于由 CF 和 RF 值形成的 RC 时间常数。
　　补偿元件的选项和取值不是固定不变的，需要通过不断的实验来改进。我们可以先从比较小的取值开始，例如 10Ω 的 RISO、10kΩ 的 RF 和 100pF 的 CF。如果不使用所有三个组件，电路将不稳定，后续的设计步骤也将无法正常工作。
　　我们可以采用对电路的输入施加小信号阶跃响应的方法，并观察运算的输出和负载电流。开始增加运算放大器输出和 MOSFET 栅极之间的串联电阻值，直到获得几乎没有振铃和过冲的响应。然后开始增加反馈电容的值，直到达到最终期望的响应。如果在过冲、振铃或振荡得到解决之前，响应过度抑制，则进一步增加串联电阻，并重新开始尺寸确定过程。在实际设计中，可先使用 SPICE TINA - TI 仿真工具进行模拟，以提高设计的准确性和效率。
　　图为补偿组件示意
　　器件选型
　　运放
　　运放需要具备低偏移电压、低温度漂移和轨对轨输出的特性。在本例中，我们选择了 OPA2333 运放。轨对轨输出运算放大器的输出摆幅能够完全控制供电轨内的 MOSFET 器件的栅极，确保电路的正常工作。
　　MOS 管
　　MOS 管的选择需要考虑其电气参数，不能超过最大的 Vgs（gate - to - source voltage）、drain - to - source voltage (Vds) 和 drain current (ID)。同时，(Vgs (th)) 要小，便于运放控制。本电路选择了 SI2304DS n - channel MOSFET 和 NTF2955 p - channel MOSFET，并且选择大电流大封装的 MOS 管，以避免发热问题。
　　无源器件
　　电阻应选择 0.1% 精度、温漂低的器件，尤其是 Rs1、Rs2 和 Rs3，因为它们的精度和温漂会直接影响电路的性能和稳定性。
　　PCB 设计
　　在 PCB 设计过程中，需要注意 PCB 走线电阻会影响本设计的精度，尤其是当电流输出值比较大的时候，寄生电阻会带来更大的误差。因此，所有 3 个电流取样电阻到运放都应采用 Kelvin 连接，也称为四端传感，这种连接方式可以将传感信号与电源信号分离，从而消除 PCB 迹线阻抗导致的电压降。同时，RS2 和 RS3 应紧挨在一起，以确保电压电势相等。
　　替代型号与注意事项
　　电流环的带载能力取决于电源电压，电压越高带载能力越大。当修改设计以获得更高的电压或更大的输出电流时，需要注意确保设计中的 MOSFET 和其他部件不会超过其最大电气参数，否则可能会导致器件损坏或电路性能下降。