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ZHCAD68 September 2023 INA823 , OPA2387 , XTR115 , XTR116

2.3 4-20mA 电流环路变送器接口

4-20mA 电流环路变送器负责为所有电桥和 INA 电路供电，还负责提供精确的电流调节。该器件需要一些外部电路才能正常工作，如图 2-5 所示。

图 2-5 电流环路变送器周边电路

XTR 5V 片上稳压器 (V_REG) 为 2A INA 供电，而 4.096V 精密基准 (V_REF) 为电桥和 INA 基准分压器供电。V_REG 可能会出现数百 mV 的电压偏移，具体取决于其灌电流或拉电流大小，因此当需要精确的电压时，务必使用 V_REF（请参阅 XTR116 数据表中的图 6-5）。从 V_REG 或 V_REF 汲取的电流必须返回到本地接地引脚 (I_RET)。

电阻 R_IN1 和 R_IN2 负责将 INA 的输出电压转换为可馈入 I_IN 引脚的电流。失调电流电阻 (R_OS) 用于为 I_IN 额外增加 20μA 电流，从而将输入电流提升至所需的 40μA 至 200μA。XTR 提供增益 100，在输出电流引脚上可以看到这一点 (I_OUT = 100*I_IN)。电容器 C_IN 和 R_IN1 在 INA 的输出端构成一个低通滤波器，用以限制噪声。这些无源器件的计算公式如下。

方程式 10.

R_{I N} = \frac{V_{I N_M A X} - V_{I N_M I N}}{I_{I N_M A X} - I_{I N_M I N}} = \frac{4 V}{160 μ A} = 25 k Ω

方程式 11.

I_{I N m i n} = 40 μ A = \frac{0.5 V}{25 k Ω} + \frac{4.096 V}{R_{o s}} \to R_{o s} = 204.8 k Ω

方程式 12.

{C l o s e s t s t a n d a r d r e s i s t o r v a l u e s ： R}_{I N 1} = 10.2 k Ω, R_{I N 2} = 14.7 k Ω, R_{o s} = 205 k Ω

方程式 13.

f_{C} = \frac{1}{2 π \times R \times C} = \frac{1}{2 π \times 10.2 k Ω \times 10 n F} \to f_{C} = 1.56 k H z

建议在环路电源电压 (V+) 与输出电流引脚 (I_OUT) 之间使用一个 10nF 去耦电容器 (C_S1)。电容器和输出负载电阻形成低通滤波器，用于限制系统的带宽。需要一个外部晶体管 (Q₁) 来传导大部分输出电流，以避免片上出现热致误差。在最大环路电压和输出电流下，该晶体管的功率耗散可接近 1W。要采取额外的保护措施，可以考虑使用二极管电桥和钳位二极管，分别用于反向电压和过压浪涌保护。