采用微功耗仪表放大器的可配置4-20 mA环路供电发射器/接收器 发射器, 放大器, 接收器, 仪表, 评估

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评估和设计支持
电路评估板
CN0314评估板(EVAL-CN0314-EB1Z)
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是基于一款行业领先的微功耗仪表放大器的可配置4 mA至20 mA环路供电发射器。总非调整误差小于1%。既可以用一个开关配置为将差分输入电压转换成电流输出的发射器（图1），也可配置成将4 mA至20 mA电流输入转换成电压输出的接收器（图5）。



图1. 鲁棒的环路供电型可配置发射器电路（带4 mA至20 mA输出）



设计针对精密、低噪声和低功耗工业过程控制应用而优化。作为发射器时，电路可以接受0 V至5V或0 V至10 V的输入电压。作为接收器时，则可提供0.2 V至2.3 V或0.2 V至4.8 V输出电压，与采用2.5 V或5 V基准电压源的ADC兼容。作为发射器时，电源电压范围为12 V至36 V，作为接收器时为7 V至36 V。

由于该电路是可以配置的，因此，单个硬件设计可以同时用作备用发射器和备用接收器，从而降低客户的库存要求。

电路描述

电路搭载AD8420，这是一款基于间接电流反馈架构的仪表放大器。得益于该架构，AD8420拥有出色的输入和输出特性。与传统仪表放大器不同，AD8420可轻松放大等于或略低于地电平的信号而不需要双电源供电。AD8420具有轨到轨输出电压摆幅，完全与输入共模电压无关。这使得AD8420摆脱了大多数传统仪表放大器架构存在的、共模输入和输出电压之间交互作用导致的多种限制。灵活的输入和输出特性，加上微功耗（0V输入下最大值为80 μA）和宽电源范围，这些特性使AD8420成为灵活低功耗工业应用的理想选择。

发射器配置

图1所示为4mA至20mA发射器配置的简化电路图。电路功耗仅为1 mA左右，非常适合环路供电应用。发射器的输入范围为0 V至5 V和0 V至10 V，可以通过跳线P3选择。然后，将输入电压范围调整至0.195 V至0.990 V，因为AD8420的差分输入电压的上限为1 V。

AD8420的输入端有一个差模噪声滤波器(40 kΩ/3.3 nF)，带宽为1.2 kHz，还有一个共模噪声滤波器(20 kΩ/330 pF)，带宽为24 kHz。

AD8420的间接电流反馈架构强制放大器的差分输入电压出现在其FB和REF引脚之间。然后，晶体管Q1把0.195 V至0.990 V电压范围转换成3.9 mA至19.8 mA的电流，流过R9 50 Ω检测电阻。


通过R9检测电阻的电流包括电路电流和Q1电流，但不包括AD8420电流IAMP。
AD8420的特有架构使其电源电流具有可预测性，当在+IN和-IN之间施加0.195 V至0.990 V的输入电压时，其范围在100 μA至200 μA之间。该电源电流会增加通过R9的电流，使总输出环路电流增至4 mA至20 mA。因此，环路中的总电流可通过以下等式得到：

ILOOP= IAMP + IR9

若要使电路正常工作，电路总电源电压必须大于7 V，以便为ADR02基准电压源提供充分的裕量。

VLOOP SUPPLY > 7 V + RLoadILoop(max)

对于250 Ω的RLOOP，

VLOOP SUPPLY > 7 V + (250 Ω)(20 mA)

因此，

VLOOP SUPPLY > 12 V

环路电源电压同样限值为36 V（最大值）。

AD8420的一个优势是其高阻抗基准电压源引脚，该引脚无需通过额外的运算放大器来驱动，从而减少了发射器电路的功耗、成本和空间要求。

为了使环路正常工作，电路板地和环路地不得相连，除非需要R9（50 Ω检测电阻）