【導(dǎo)讀】連接電流環(huán)路電源與檢測(cè)電路的常用方法就是模擬接口。模擬接口可以吧電壓信號(hào)從1V~5V信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出，這也是本文即將講述的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文就揭幕了如何把1V~5V信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出
盡管長(zhǎng)久以來人們一直預(yù)測(cè)，4mA至20mA電流環(huán)路將消失，但是這種模擬接口仍然是連接電流環(huán)路電源與檢測(cè)電路的最常見方法。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。
凌力爾特的LT5400四匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)幫助解決了這些問題，該網(wǎng)絡(luò)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(圖1)。該電路采用兩級(jí)放大器，利用了LT5400獨(dú)特的匹配特性。第一級(jí)放大器將典型值為1V至5V的輸出(通常來自DAC)加到運(yùn)算放大器IC1A的非反相輸入。這個(gè)電壓通過FETQ2將通過R1的電流準(zhǔn)確地設(shè)定為VIN/R1。相同的電流通過R2拉低，因此R2底端的電壓為24V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℃至70℃之間的失調(diào)電壓不到700μV。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。
第二級(jí)靠拉動(dòng)通過Q1的電流，保持R3上的電壓等于R2上的電壓。因?yàn)镽2上的電壓等于輸入電壓，所以通過Q1的電流準(zhǔn)確地等于輸入電壓除以R3。通過給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。
第二級(jí)的誤差源是R3的值、IC1R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1中的RiedonSF-2器件的初始準(zhǔn)確度為0.1%，溫度漂移很低。與第一級(jí)的情形類似，失調(diào)電壓產(chǎn)生不超過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VishayPLT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。
圖1：精確匹配的電阻器提供準(zhǔn)確的電壓至電流轉(zhuǎn)換
相關(guān)閱讀：
數(shù)學(xué)示波器與模擬示波器之間有何不同？
想要成為萬能模擬工程師？搞定數(shù)字隔離和模擬隔離再說吧！
經(jīng)典電路：利用HART兼容性簡(jiǎn)化模擬電流環(huán)路
