XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用

圖2電路中，信號電壓施加在VIN和VG之間，VG相當(dāng)于傳感器部分的參考點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器的基本原理，運(yùn)算放大器的兩個輸入端電壓基本相等，流入運(yùn)算放大器輸入端的電流基本為零?？芍?br />
此時的I0只是信號變化部分的電流，它的變化范圍是0～16 mA，對應(yīng)到I3是0～160μA，可以根據(jù)這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現(xiàn)4～20 mA電流環(huán)，還必須加入4 mA的偏置電流IB(這個偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流Ip)，方法是在運(yùn)算放大器的同相輸入端通過一個電阻Rs接到參考電壓上，再引入一路固定的電流Is。這路電流的最大值是Ismax=40μA。通過調(diào)節(jié)Rs，使得偏置電流IB=100Is+Ip=4 mA。

3 XTR115兩線制電流環(huán)典型應(yīng)用
利用XTR115構(gòu)成兩線制電流環(huán)時，其工作電源和信號共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供。該方案需要考慮的主要問題：一是確定所用接收器的數(shù)量，即當(dāng)有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。
通常情況下，利用兩線制設(shè)計方案時，均需要考慮以下幾點(diǎn)：
1)電路環(huán)中的接收器的數(shù)量，更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；
2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；
3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。
圖3是XTR115電路在溫度傳感器中的典型應(yīng)用，溫度傳感器PT100和RE1、RE2、RE3組成測量橋路，恒流二極管2HD2為橋路提供2 mA的供電電流，運(yùn)算放大器INA128組成差動放大電路，輸出被偏置在Vo=2．5 V的工作點(diǎn)上。放大器的輸出通過電阻RIN接到電流環(huán)變換電路XTR115。運(yùn)算放大器INA128的靜態(tài)電流為700μA；所以輸出端還須加入1．3 mA的偏置電流，這個電流可以通過電流偏置電阻Rs獲得，Rs=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。

假如溫度的測量范圍是±100℃。在0℃時放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V，而這時電流環(huán)的輸出電流應(yīng)IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信號變化產(chǎn)生的電流應(yīng)該在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流過RIN的電流應(yīng)該是I3=8mA／100=80μA。電阻RIN應(yīng)該是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃時電流環(huán)的輸出電流應(yīng)該是IO=20mA。相對0℃時的輸出增量是△IO=8mA。流過電阻RIN的電流增量應(yīng)該是△I3=8mA／100=80μA。這時放大器的輸出電壓增量應(yīng)該是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此時電橋的輸出電壓增量僅僅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益應(yīng)該為G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
當(dāng)溫度在0℃時，電橋平衡，放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V。電流環(huán)的輸出電流IO=12 mA。當(dāng)溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=5 V。電流環(huán)的輸出電流IO=20 mA。當(dāng)溫度在-100℃時，放大器的輸出電壓為VP=0 V。電流環(huán)的輸出電流IO=4mA。
然而，運(yùn)算放大器INA128的最高輸出電壓達(dá)不到5 V；最低輸出電壓也達(dá)不到0V。所以測溫范圍達(dá)不到+100℃。一個簡潔的解決方案是降低運(yùn)算放大器INA128的增益，使運(yùn)算放大器在100℃時的輸出電壓達(dá)到它的最大值Vomax=4 V。G=(4 V-2．5 V)／17．56 mV=85倍。RG=50 k／(G-1)=595 Ω。這時，當(dāng)溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=4V。電流環(huán)的輸出電流IO=16．8 mA。當(dāng)溫度在-100℃時，放大器的輸出電壓為VP=1 V。電流環(huán)的輸出電流IO=7．2 mA。雖然這樣又帶來了電流環(huán)的輸出范圍利用不足的缺點(diǎn)，但它并不影響正常測量。
外接晶體三極管只要選用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1．2 W的NPN三極管即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

4 總結(jié)
本文針對各種工業(yè)場合中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求，給出了一種利用XTR115兩線制電流環(huán)進(jìn)行信號傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計方法。該方法減少了傳輸線的噪聲干擾和傳輸線的分布電阻產(chǎn)生的電壓降，提高了數(shù)據(jù)通訊接口的可靠性和準(zhǔn)確度，具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。