【E電路】將 1V 至 5V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4mA 至 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，以校準(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，這兩種方法都不是最佳。獲得采用表面貼裝封裝的精密電阻器是很難，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% (圖 1) 的整體誤差。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)放大器將來自 DAC、典型值為 1V 至 5V 的輸出加到運(yùn)算放大器 IC1A 的非反相輸入。這個(gè)電壓通過 FET Q2，將通過 R1 的電流準(zhǔn)確地設(shè)定為 VIN/R1。這個(gè)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°C 之間具不到 700μV 失調(diào)電壓。這個(gè)電壓在 1V 輸入電壓時(shí)產(chǎn)生 0.07% 的誤差。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)?nbsp;R2 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 250? 分流電阻，該電流準(zhǔn)確地跟蹤輸入電壓。

　　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 250? 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 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)大的壓力。輸出至 24V 環(huán)路電源及地之間的二極管 D1 和 D2 幫助保護(hù) Q1;R6 提供一定的隔離。通過提高 R6 的值，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 100?，針對(duì)輸出壓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)。這種方法降低了電阻器產(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