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評估和設(shè)計支持 電路評估板 CN0314評估板(EVAL-CN0314-EB1Z) 設(shè)計和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢 圖1所示電路是基于一款行業(yè)領(lǐng)先的微功耗儀表放大器的可配置4 mA至20 mA環(huán)路供電發(fā)射器。總非調(diào)整誤差小于1%。既可以用一個開關(guān)配置為將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出的發(fā)射器（圖1），也可配置成將4 mA至20 mA電流輸入轉(zhuǎn)換成電壓輸出的接收器（圖5）。 圖1. 魯棒的環(huán)路供電型可配置發(fā)射器電路（帶4 mA至20 mA輸出） 設(shè)計針對精密、低噪聲和低功耗工業(yè)過程控制應(yīng)用而優(yōu)化。作為發(fā)射器時，電路可以接受0 V至5V或0 V至10 V的輸入電壓。作為接收器時，則可提供0.2 V至2.3 V或0.2 V至4.8 V輸出電壓，與采用2.5 V或5 V基準(zhǔn)電壓源的ADC兼容。作為發(fā)射器時，電源電壓范圍為12 V至36 V，作為接收器時為7 V至36 V。 由于該電路是可以配置的，因此，單個硬件設(shè)計可以同時用作備用發(fā)射器和備用接收器，從而降低客戶的庫存要求。 電路描述 電路搭載AD8420，這是一款基于間接電流反饋架構(gòu)的儀表放大器。得益于該架構(gòu)，AD8420擁有出色的輸入和輸出特性。與傳統(tǒng)儀表放大器不同，AD8420可輕松放大等于或略低于地電平的信號而不需要雙電源供電。AD8420具有軌到軌輸出電壓擺幅，完全與輸入共模電壓無關(guān)。這使得AD8420擺脫了大多數(shù)傳統(tǒng)儀表放大器架構(gòu)存在的、共模輸入和輸出電壓之間交互作用導(dǎo)致的多種限制。靈活的輸入和輸出特性，加上微功耗（0V輸入下最大值為80 μA）和寬電源范圍，這些特性使AD8420成為靈活低功耗工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。 發(fā)射器配置 圖1所示為4mA至20mA發(fā)射器配置的簡化電路圖。電路功耗僅為1 mA左右，非常適合環(huán)路供電應(yīng)用。發(fā)射器的輸入范圍為0 V至5 V和0 V至10 V，可以通過跳線P3選擇。然后，將輸入電壓范圍調(diào)整至0.195 V至0.990 V，因為AD8420的差分輸入電壓的上限為1 V。 AD8420的輸入端有一個差模噪聲濾波器(40 kΩ/3.3 nF)，帶寬為1.2 kHz，還有一個共模噪聲濾波器(20 kΩ/330 pF)，帶寬為24 kHz。 AD8420的間接電流反饋架構(gòu)強(qiáng)制放大器的差分輸入電壓出現(xiàn)在其FB和REF引腳之間。然后，晶體管Q1把0.195 V至0.990 V電壓范圍轉(zhuǎn)換成3.9 mA至19.8 mA的電流，流過R9 50 Ω檢測電阻。 通過R9檢測電阻的電流包括電路電流和Q1電流，但不包括AD8420電流IAMP。 AD8420的特有架構(gòu)使其電源電流具有可預(yù)測性，當(dāng)在+IN和-IN之間施加0.195 V至0.990 V的輸入電壓時，其范圍在100 μA至200 μA之間。該電源電流會增加通過R9的電流，使總輸出環(huán)路電流增至4 mA至20 mA。因此，環(huán)路中的總電流可通過以下等式得到： ILOOP= IAMP + IR9 若要使電路正常工作，電路總電源電壓必須大于7 V，以便為ADR02基準(zhǔn)電壓源提供充分的裕量。 VLOOP SUPPLY > 7 V + RLoadILoop(max) 對于250 Ω的RLOOP， VLOOP SUPPLY > 7 V + (250 Ω)(20 mA) 因此， VLOOP SUPPLY > 12 V 環(huán)路電源電壓同樣限值為36 V（最大值）。 AD8420的一個優(yōu)勢是其高阻抗基準(zhǔn)電壓源引腳，該引腳無需通過額外的運(yùn)算放大器來驅(qū)動，從而減少了發(fā)射器電路的功耗、成本和空間要求。 為了使環(huán)路正常工作，電路板地和環(huán)路地不得相連，除非需要R9（50 Ω檢測電阻）。 調(diào)整電阻的選擇 AD8420的差分輸入電壓范圍限值為±1V（最大值）。因此，為了能接受更高的工業(yè)輸入電壓范圍，電路采用調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)將0 V至5 V或0 V至10 V輸入轉(zhuǎn)換成0.195 V至0.990 V。下列等式利用節(jié)點(diǎn)分析法來求得電路中R1、R2、R3和R4的值： 其中： VREF = 5 V R5 = 1 kΩ 對于0 V至5 V的輸入范圍，從等式1和等式2可分別得到等式3和等式4。 利用等式3和等式4求出R1和R2的值： R1 = 5044 Ω R2 = 20564 Ω 對于0 V至10 V的輸入范圍，從等式1和等式2可分別得到等式5和等式6。 同樣，求得相應(yīng)調(diào)整電阻的值： R3 =11088 Ω R4 =22603 Ω 實際電路中，必須選擇最接近EIA標(biāo)準(zhǔn)的0.1%電阻，因此可得固定失調(diào)誤差。EVAL-CN0314-EB1Z板提供的電阻如下： R1 = 5050 Ω且R2 = 20500 Ω R3 = 11000 Ω且R4 = 22600 Ω 有了隨電路板提供的這些值，就可以利用以下等式算出這些電阻值導(dǎo)致的失調(diào)誤差： 對于0 V至5 V輸入，VREF = 5 V，R1 = 5.05 kΩ，R2 = 20.5 kΩ，且R5 = 1 kΩ。 失調(diào)誤差 (%FSR) = 失調(diào)誤差 (%FSR) = 0.078%，其中，VIN = 0 V；IQ1 = 3.9 mA 失調(diào)誤差 (%FSR) = -0.033%，其中，VIN = 5 V；IQ1 = 19.8 mA 結(jié)果，對于0 V至10 V輸入，VREF = 5 V，R3 = 11 kΩ，R4 = 22.6 kΩ，且 R5 = 1 kΩ 失調(diào)誤差 (%FSR) = 失調(diào)誤差 (%FSR) = -0.013%，其中，VIN = 0 V；IQ1 = 3.9 mA 失調(diào)誤差 (%FSR) = 0.718%，其中，VIN = 10 V；IQ1 = 19.8 mA 為了最大限度地減小該失調(diào)誤差，可使用兩個0.1%電阻組合，以便更接近算出的電阻值。 總發(fā)射器電路精度 對電阻容差導(dǎo)致的總誤差的合理近似推算是假設(shè)每個關(guān)鍵電阻對總誤差貢獻(xiàn)都相等。四個關(guān)鍵電阻為R1或R3、R2或R4、R5和R9。0.1%電阻導(dǎo)致的最差情況下的容差可造成0.4%總電阻誤差最大值。若假定rss誤差，則總rss誤差為0.1√4 = 0.2%。 因系統(tǒng)中有源元件導(dǎo)致的最大誤差和rss誤差（AD8420使用A級，ADR02使用B級）如下表所示。 表1. 有源元件導(dǎo)致的誤差 將有源元件失調(diào)導(dǎo)致的最差情況誤差加上最差情況電阻容差誤差0.4%，結(jié)果得到： 滿量程誤差 = 0.4% + 0.045% = 0.445% 這些誤差假定選用理想電阻，同時假定，這些誤差來源于其容差。 電路的實際誤差數(shù)據(jù)見圖3和圖4，其中，環(huán)路電源電壓=25V。總輸出誤差(%FSR)通過將實測輸出電流與理想輸出電流的差除以FSR (16 mA)，然后將計算結(jié)果乘以100即可算出。 圖2. 總發(fā)射器誤差(% FSR)與輸入電壓（范圍：0 V至5 V）的關(guān)系 圖3. 總發(fā)射器誤差(% FSR)與輸入電壓（范圍：0 V至10 V）的關(guān)系 接收器配置 圖4所示為簡化的接收器配置。接收器電路將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓電平，該電平與采用2.5 V或5 V基準(zhǔn)電壓源的多數(shù)單端輸入ADC相兼容。 圖4. 4 mA至20 mA接收器配置的簡化原理圖。 電阻R6用于檢測4 mA至20 mA信號，并將其轉(zhuǎn)換成0.2 V至1 V的輸入電壓以提供給放大器。然后，輸入電壓反射過放大器的FB和REF引腳。不同于輸出電壓范圍為1 V至5 V的多數(shù)直接增益接收器，電路采用ADR02和增益及調(diào)整電阻來提高0.2 V至4.8 V的輸出范圍。這使采用5V基準(zhǔn)電壓源的ADC的輸入動態(tài)范圍實現(xiàn)了最大化。結(jié)果帶來的額外裕量為整個輸入信號范圍提供了線性度保障。接收器電路也可以用跳線P4進(jìn)行配置，以便為采用2.5V基準(zhǔn)電壓源的ADC提供0.2 V至2.3 V的輸出電壓。 不同于許多其他單電源儀表放大器，對于這種應(yīng)用，AD8420的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，它可以檢測近地電流，而不會超過輸入范圍，也不會遇到共模限制。另外，AD8420還具有增益和電平轉(zhuǎn)換能力，不會像簡單的電阻分壓器一樣浪費(fèi)ADC輸入范圍。 增益和調(diào)整電阻的選擇 AD8420的增益一般通過兩個電阻（R11和R10）的比值來設(shè)定。然而，電路采用ADR02以利用被低端直接增益浪費(fèi)的20%的額外范圍。以下等式展示了如何獲得針對目標(biāo)輸出電壓范圍的增益值和調(diào)整電阻值。 其中： VREF = 5 V R10 = 1 kΩ 對于0.2 V至2.3 V的輸出范圍： 我們可以得到電阻值： R11 = 1560 Ω R12 = 24000 Ω 對于0.2 V至4.8 V的輸出范圍： 有 R13 = 4560 Ω R14 = 24000 Ω 電路板上提供的電阻是值最接近EIA標(biāo)準(zhǔn)0.1%的電阻，可從供應(yīng)商處取得。因此，電路板隨附電阻的實際值如下： R11 = 1580 Ω且R12 = 23700 Ω R13 = 4530 Ω且R14 = 24300 Ω 根據(jù)電路板提供的這些值，電阻值引起的誤差可計算如下： 對于0.2 V至2.3 V的輸出范圍，VREF = 5 V，R11 = 1580 Ω，R12 = 23700 Ω，且R10 = 1 kΩ。 失調(diào)誤差 (%FSR) = 失調(diào)誤差(%FSR) = -0.190%，其中，VFB = 0.2 V；VOUT_IDEAL = 0.2 V 失調(diào)誤差(%FSR) = 0.635%，其中，VFB = 1 V；VOUT_IDEAL = 2.3 V 對于0.2 V至4.8 V的輸出范圍，VREF = 5 V，R13 = 4530 Ω，R14 = 24300 Ω，且R10 = 1 kΩ。 失調(diào)誤差 (%FSR) = 失調(diào)誤差(%FSR) = 0.243%，其中，VFB = 0.2 V；VOUT_IDEAL = 0.2 V 失調(diào)誤差(%FSR) = -0.341%，其中，VFB = 1 V；VOUT_IDEAL = 4.8 V 也可使用兩個0.1%電阻組合，以便更接近計算值，從而最大限度地減小該失調(diào)誤差。 總接收器電路精度 對電阻容差導(dǎo)致的總誤差的合理近似推算是假設(shè)每個關(guān)鍵電阻對總誤差貢獻(xiàn)都相等。四個關(guān)鍵電阻為R11或R13、R12或R14、R6和R10。0.1%電阻導(dǎo)致的最差情況下的容差可造成0.4%總電阻誤差最大值。若假定rss誤差，則總rss誤差為0.1√4 = 0.2%。 因系統(tǒng)中有源元件導(dǎo)致的最大誤差和rss誤差（AD8420使用A級，ADR02使用B級）如下表所示。 表2. 有源元件導(dǎo)致的誤差 給因有源元件導(dǎo)致的最差情況誤差加上最差情況電阻容差誤差0.4%，結(jié)果得到： 滿量程誤差 = 0.4% + 0.07% = 0.47% 這些誤差假定選用理想電阻，同時假定，這些誤差來源于其容差。 接收器電路的實際誤差數(shù)據(jù)見圖5和圖6，其中，VCC=25V。總輸出誤差(%FSR)通過將實測輸出電壓與理想輸出電流的差除以輸出電壓的FSR，然后將計算結(jié)果乘以100即可算出。 圖5. 總接收器誤差(%FSR)與輸入電流（范圍：4 mA至20 mA）在0.2 V至2.3 V輸出范圍下的關(guān)系 圖6. 總接收器誤差(%FSR)與輸入電壓（范圍：4 mA至20 mA）在0.2 V至4.8 V輸出范圍下的關(guān)系 常見變化 經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。可在該配置中使用其他基準(zhǔn)電壓和儀表放大器，以適應(yīng)該電路的其他應(yīng)用。 AD8237是一款微功耗、零漂移、真正軌到軌儀表放大器，也可用于本電路配置的低電源電壓版本。 針對低電流電壓應(yīng)用，可使用高精度、低功耗、低噪聲基準(zhǔn)電壓源ADR4550來代替ADR02。 電路評估與測試 設(shè)備要求 ●EVAL-CN0314-EB1Z 評估板 ●Agilent E3631A雙直接電源（或等效設(shè)備） ●Yokogawa 2000雙直接電源（或等效設(shè)備） ●Agilent 3458精密萬用表（或等效設(shè)備） 測試設(shè)置配置和測試 電路通過圖7和圖8所示測試設(shè)置進(jìn)行了測試。Agilent 3631A設(shè)為25 V，作為評估板的電源。Agilent 3458萬用表用于測量評估板的實際電流或電壓輸出。EVAL-CN0314-EB1Z的照片如圖9所示。 對于發(fā)射器配置測試設(shè)置（圖8），利用一個Yokogawa 2000精密直流源來產(chǎn)生0 V至5 V或0 V至10 V的差分輸入范圍。S1開關(guān)必須置于“V-I”位，以將電路配置為發(fā)射器。 圖7. 發(fā)射器測試設(shè)置的功能框圖 對于接收器配置測試設(shè)置（圖9），利用第二塊EVAL-CN0314-EB1Z來產(chǎn)生4 mA至20 mA的輸入電流。如果需要可以使用精密電流源。S1開關(guān)必須置于“I-V”位，以將電路配置為接收器。 圖8. 接收器測試設(shè)置的功能框圖 圖9. EVAL-CN0314-EB1Z板的照片 針對4 mA至20 mA發(fā)射器的開關(guān)和跳線設(shè)置 對于如圖1所示發(fā)射配置，開關(guān)S1應(yīng)置于“V-I”位。對于0 V至10 V的輸入范圍，跳線P3應(yīng)置于“0–10V”位，對于0 V至5 V的輸入范圍，則應(yīng)置于“0–5V”位。同時參見圖9所示評估板照片。 針對4 mA至20 mA接收器的開關(guān)和跳線設(shè)置 對于如圖4所示接收器配置，開關(guān)S1應(yīng)置于“I-V”位。對于0.2 V至2.3 V的輸入范圍，跳線P4應(yīng)置于“0.2-2.3V”位，對于0.2 V至4.8 V的輸入范圍，則應(yīng)置于“0.2-4.8V”位。同時參見圖9所示評估板照片。 |
