【導(dǎo)讀】據(jù)說(shuō)，4mA 至20mA 電流環(huán)路將消失？但是，這種模擬接口現(xiàn)在仍然是連接電流環(huán)路電源與檢測(cè)電路的最常見(jiàn)方法。
據(jù)說(shuō)，4mA 至20mA 電流環(huán)路將消失？但是，這種模擬接口現(xiàn)在仍然是連接電流環(huán)路電源與檢測(cè)電路的最常見(jiàn)方法。
這種接口需要將電壓信號(hào)（典型值為 1V 至5V）轉(zhuǎn)換為 4mA 至 20mA 的輸出。嚴(yán)格的準(zhǔn)確度要求決定，必須使用昂貴的精密電阻器或微調(diào)電位器，來(lái)校準(zhǔn)較不精密器件的初始誤差，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
在今天以自動(dòng)測(cè)試設(shè)備為主導(dǎo)和表面貼裝型生產(chǎn)環(huán)境中，這兩種技術(shù)都不是最佳方法。獲得采用表面貼裝封裝的精密電阻器很難，微調(diào)電位器又需要人工干預(yù)，而這種要求與生產(chǎn)環(huán)境是不相容的。
ADI LT5400 四匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)幫助解決了上述問(wèn)題，該產(chǎn)品采用一種簡(jiǎn)便的電路，不需要微調(diào)，但實(shí)現(xiàn)了小于 0.2% 的整體誤差（如下圖）。
精確匹配的電阻器提供準(zhǔn)確的電壓至電流轉(zhuǎn)換
該電路采用兩級(jí)放大器，利用了 LT5400 獨(dú)特的匹配特性。 接下來(lái)我們具體分析這兩級(jí)放大器。
01. 第一級(jí)
將典型值為 1V 至 5V 的輸出（通常來(lái)自DAC）加到運(yùn)算放大器 IC1 A的非反相輸入。這個(gè)電壓通過(guò) FET Q2將通過(guò) R1 的電流準(zhǔn)確地設(shè)定為VIN/R1。相同的電流通過(guò) R2 拉低，因此 R2 底端的電壓為 24 V 環(huán)路電源電壓減去輸入電壓。這部分電路有3個(gè)主要誤差源：R1 和 R2 的匹配，IC1A的失調(diào)電壓，以及 Q2 的泄漏電流。
R1 和 R2 的準(zhǔn)確值并不重要，但是它們必須相互準(zhǔn)確匹配。LT5400A 級(jí)版本以 ±0.01% 的誤差實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)；LT1490A 在 0°C至 70°C之間的失調(diào)電壓不到700V。
這個(gè)電壓在輸入電壓為 1V 時(shí)產(chǎn)生的誤差為0.07%。NDS7002A 的泄漏電流為10nA，盡管其數(shù)值通常小得多。這個(gè)泄漏電流代表0.001%的誤差。
02. 第二級(jí)
靠拉動(dòng)通過(guò) Q1 的電流，保持 R3 上的電壓等于 R2 上的電壓。因?yàn)?R2 上的電壓等于輸入電壓，所以通過(guò)Q1 的電流準(zhǔn)確地等于輸人電壓除以 R3 。通過(guò)給R3并聯(lián)一個(gè)精確的 250Ω 分流電阻，該電流將準(zhǔn)確跟蹤輸入電壓。這一級(jí)的誤差源是：R3 的值、IC1 R 的失調(diào)電壓和 Q1 的泄漏電流。
電阻器 R3 直接設(shè)定輸出電流，因此其值對(duì)于該電路的精確度至關(guān)重要。這個(gè)電路利用常用的 250Ω并 聯(lián)電阻完成電流環(huán)路。圖中的 Riedon SF-2 器件的初始準(zhǔn)確度為 0.1%，溫度漂移很低，與第一級(jí)的情形類(lèi)似，失調(diào)電壓產(chǎn)生不超過(guò) 0.07% 的誤差。Q1 的泄漏電流低于 100nA,所產(chǎn)生的最大誤差為 0.0025 %。
沒(méi)有任何微調(diào)時(shí)，總輸出誤差好于0.2%。電流檢測(cè)電阻器R3是主要的誤差源。如果使用一個(gè)更高質(zhì)量的器件（例如 Vishay PLT系列器件），那么可以實(shí)現(xiàn) 0.1% 的準(zhǔn)確度。電流環(huán)路輸出在使用中受到相當(dāng)大的應(yīng)力。從輸出到 24V 環(huán)路電源和地之間的二極管 D1 和 D2 幫助保護(hù)Q1；R6 提供一定的隔離。通過(guò)提高 R6 的值，并在輸出端以犧牲一些符合條件的電壓作為代價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離度。如果最高輸出電壓要求低于 10V，那么可以將 R6 的值提高到 100Ω，針對(duì)輸出應(yīng)力提供更高的隔離度。如果設(shè)計(jì)方案需要增強(qiáng)保護(hù)，那么可以給輸出加上一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器，當(dāng)然這么做會(huì)由于泄漏電流而導(dǎo)致輸出準(zhǔn)確度有一定的損失。
這一設(shè)計(jì)方案僅使用了 LT5400 封裝中 4 個(gè)匹配電阻器中的兩個(gè)。還可以將另外兩個(gè)電阻器用于其他電路功能（例如精確的反相器），或者另一個(gè) 4mA 至 20mA 轉(zhuǎn)換器。另外，還可以引入其他電阻器與 R1 和 R2 并聯(lián)。這種方法可降低電阻器產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)誤差，降幅為 2 的平方根。
（來(lái)源：亞德諾半導(dǎo)體）
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