在4~20mA電流環(huán)中如何使用高壓、大電流驅(qū)動放大器

從±2.5V產(chǎn)生±20mA電流驅(qū)動
圖3所示電路亦可用來產(chǎn)生±20mA電流驅(qū)動。當(dāng)VREF=0V時，-2.5～+2.5V的輸入范圍產(chǎn)生標(biāo)稱±20mA的電流輸出，如圖4所示。輸入電壓(VIN)和“正向”運(yùn)算放大器輸出電壓(V1)之間的關(guān)系如下：

VIN=(R2/R1)×(1-α/β)×V1+VREF×(1-(R2/R1)×1/(β×(R2+R1))) (2)

式中，α=(1/RSENSE)+R2/(R1×(R1+R2))；β=(1/RSENSE)+(1/R1)+(1/RLOAD)

在式（2）中代入元件值：

V1=4.876×VIN-4.872×VREF (3)

式（3）中的關(guān)系式有助于避免輸出器件飽和。實(shí)際上，當(dāng)VIN=2.5V時，下端運(yùn)算放大器的輸出(V1)達(dá)到12.2V左右。如果輸入電壓超過2.5V，最終輸出器件將達(dá)到其飽和點(diǎn)，輸出電壓不再增大。圖4中曲線變得平坦，與理想特性曲線不一致。反相端輸入低于-2.5V時，將出現(xiàn)類似結(jié)果。

圖4 ±2.5V輸入電壓范圍可產(chǎn)生±20mA輸出電流

圖4數(shù)據(jù)說明，當(dāng)源出、吸入電流達(dá)到大約±21.5mA時，相當(dāng)于±2.68V輸入和正向(下端)運(yùn)算放大器輸出達(dá)到±13V，MAX9943仍然能夠工作在線性范圍。因?yàn)镸AX9943的輸出電壓能夠非常接近負(fù)電源電壓，實(shí)際負(fù)向電流可以達(dá)到較大幅度。該器件的正向輸出擺幅限制在正電源電壓的2V以內(nèi)。

有些應(yīng)用需要更大的輸出電流，以滿足設(shè)計裕量的需求或?yàn)樾?zhǔn)保留一定空間。對于這類應(yīng)用，圖3電路可采用±18V雙電源(代替±15V)供電。此時，運(yùn)算放大器能夠驅(qū)動最大±24mA (對應(yīng)于±3V輸入)的電流，并保持工作在線性區(qū)域，如圖5所示。

圖5 ±3V輸入電壓范圍可產(chǎn)生±24mA輸出電流

從0～2.5V輸入范圍產(chǎn)生4～20mA電流驅(qū)動
由式（3），當(dāng)VREF=-0.25V、輸入范圍介于0～+2.5V時能夠產(chǎn)生2～22mA的電流輸出(見圖6)。通常在4～20mA電流環(huán)中，設(shè)計人員希望動態(tài)范圍具有一定的附加“空間”(例如，2～22mA)，以便用于軟件校準(zhǔn)。如果需要更大電流，MAX9943可以采用±18V雙電源供電，如上所述。

圖6 通過0～2.5V輸入電壓范圍產(chǎn)生4～20mA輸出電流

結(jié)論
電流環(huán)被廣泛用于需要將信息從遠(yuǎn)端傳感器傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，或從中心單元傳輸?shù)竭h(yuǎn)端傳感器的工業(yè)應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)證明，MAX9943運(yùn)算放大器非常適合將傳感器或DAC輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA或±20mA電流的控制環(huán)應(yīng)用。MAX9943在整個溫度范圍內(nèi)都具有精密的大電流驅(qū)動能力。驅(qū)動高達(dá)1nF的容性負(fù)載時能夠保持穩(wěn)定工作，而長距離傳輸中經(jīng)常會遇到較大的容性負(fù)載。