中文参考电路

电路笔记
CN-0314
连接/参考器件
Circuits from the Lab® reference designs are engineered and
tested for quick and easy system integration to help solve today’s
analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more
information and/or support, visit www.analog.com/CN0314.
AD8420
宽电源电压范围、轨到轨
输出仪表放大器
ADR02
超紧凑、5.0 V精密基准电压源
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
评估和设计支持
电路功能与优势
电路评估板
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
CN0314评估板(EVAL-CN0314-EB1Z)
可配置4 mA至20 mA环路供电发射器。无调整总误差小于
设计和集成文件
1%。既可以用一个开关配置为将差分输入电压转换成电流
原理图、布局文件、物料清单
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)。
P5-1
ICIRCUIT
ADR02
R4
22.6kΩ
P2-1
+VIN
0V TO 5V
OR
0V TO 10V
ICIRCUIT + IAMP
5V
R3
11.0kΩ
R1
5.05kΩ
195mV
TO
990mV
R2
20.5kΩ
ILOOP
4mA TO 20mA
100µA TO 200µA
IQ1
IAMP
0V TO 10V
330pF
20kΩ
P3
0V TO 5V
R5
1kΩ
+IN
+VS
+
AD8420
3.3nF
Q1
ZXT13N50DE6
VOUT
LOOP
SUPPLY
12V TO 36V
−
FB
REF
0V
–IN
−VS
250Ω
RLOOP
ICIRCUIT
330pF
NOTE: R1, R2, R3, R4 AND R5 ARE 0.1%
IQ1
100µA
TO
200µA
3.9mA
TO
19.8mA
+
VR9
–
R9
50Ω
0.1%
IAMP
P5-2
ILOOP
VR9: 195mV TO 990mV
LOOP
GROUND
11284-001
20kΩ
P2-2
−VIN
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)
Rev. 0
Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog
Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and
construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab
environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and
determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall
Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due
toanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage)
One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.
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CN-0314
I LOOP = I AMP + I R9
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
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。
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。
VLOOP SUPPLY > 7 V + RLoadILoop(max)
对于250 Ω的RLOOP，
VLOOP SUPPLY > 7 V + (250 Ω)(20 mA)
由于该电路是可以配置的，因此，单个硬件设计可以同时用
因此，
VLOOP SUPPLY > 12 V
作备用发射器和备用接收器，从而降低客户的库存要求。
环路电源电压同样限值为36 V(最大值)。
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
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。
低于地电平的信号而不需要双电源供电。AD8420具有轨到
为了使环路正常工作，电路板地和环路地不得相连，除非
轨输出电压摆幅，完全与输入共模电压无关。这使得
需要R9(50 Ω检测电阻)。
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(0 V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。
调整电阻的选择
AD8420的差分输入电压范围限值为±1V(最大值)。因此，
为了能接受更高的工业输入电压范围，电路采用调整电阻
网络将0 V至5 V或0 V至10 V输入转换成0.195 V至0.990 V。
下列等式利用节点分析法来求得电路中R1、R2、R3和R4
发射器配置
的值：
图1所示为4mA至20mA发射器配置的简化电路图。电路功
VIN MIN – 0.195 V
耗仅为1 mA左右，非常适合环路供电应用。发射器的输入
R1
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，
VIN MAX – 0.990 V
将输入电压范围调整至0.195 V至0.990 V，因为AD8420的差
V REF – 0.195 V
其中：
AD8420的输入端有一个差模噪声滤波器(40 kΩ/3.3 nF)，带
VREF = 5 V
=
0.195 V
R2
+
(1)
R5
V REF – 0.990 V
R1
分输入电压的上限为±1 V。
宽为1.2 kHz，还有一个共模噪声滤波器(20 kΩ/330 pF)，带
+
=
0.990 V
R2
(2)
R5
R5 = 1 kΩ
宽为24 kHz。
对于0 V至5 V的输入范围，从等式1和等式2可分别得到等式
AD8420的间接电流反馈架构强制放大器的差分输入电压出现
3和等式4。
0 V – 0.195 V
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
5 V – 0.990 V
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
5 V – 0.195 V
R1
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
+
=
0.195 V
R2
+
5 V – 0.990 V
(3)
1 kΩ
=
0.990 V
(4)
1 kΩ
R1
R2
利用等式3和等式4求出R1和R2的值：
R1 = 5044 Ω
R2 = 20564 Ω
对于0 V至10 V的输入范围，从等式1和等式2可分别得到等
式5和等式6。
0 V – 0.195 V
可通过以下等式得到：
+
5 V – 0.195 V
R3
10 V – 0.990 V
R3
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=
0.195 V
R4
+
5 V – 0.990 V
R4
(5)
1 kΩ
=
0.990 V
1 kΩ
(6)
CN-0314
同样，求得相应调整电阻的值：
总发射器电路精度
R3 =11088 Ω
对电阻容差导致的总误差的合理近似推算是假设每个关键
R4 =22603 Ω
电阻对总误差贡献都相等。四个关键电阻为R1或R3、R2或
EVAL-CN0314-EB1Z板提供的电阻如下：实际电路中，必须
选择最接近EIA标准的0.1%电阻，因此可得固定失调误差。
R1 = 5050 Ω且R2 = 20500 Ω
R4、R5和R9。0.1%电阻导致的最差情况下的容差可造成
0.4%总电阻误差最大值。若假定rss误差，则总rss误差为0.1
√4 = 0.2%。
因系统中有源元件导致的最大误差和rss误差(AD8420使用
R3 = 11000 Ω且R4 = 22600 Ω
A级，ADR02使用B级)如下表所示。
有了随电路板提供的这些值，就可以利用以下等式算出这
些电阻值导致的失调误差：
对于0 V至5 V输入，VREF = 5 V，R1 = 5.05 kΩ，R2 = 20.5 kΩ，
且R5 = 1 kΩ。
失调误差 (%FSR) =


 VIN VREF 

( R1 )( R2 )( R5 ) 
+



R2 
 R1


− IQ1 ( ideal ) 

 × 100%
 [( R1 )( R2 ) + ( R2 )( R5 ) + ( R1 )( R5 )] 50 Ω


16 mA








(7)
失调误差 (%FSR) = 0.078%，其中，VIN = 0 V；IQ1 = 3.9 mA
失调误差 (%FSR) = −0.033%，其中，VIN = 5 V；IQ1 = 19.8 mA
表1. 有源元件导致的误差
误差元件
AD8420-A
ADR02-B
RSS FS误差
最大FS误差
误差
失调
失调
误差值
250 µV
0.06%
误差(%FSR)
0.03%
0.015%
0.034%
0.045%
将有源元件失调导致的最差情况误差加上最差情况电阻容
差误差0.4%，结果得到：
满量程误差 = 0.4% + 0.045% = 0.445%
这些误差假定选用理想电阻，同时假定，这些误差来源于
其容差。
电路的实际误差数据见图3和图4，其中，环路电源电压= 25 V。
总输出误差(%FSR)通过将实测输出电流与理想输出电流的
差除以FSR (16 mA)，然后将计算结果乘以100即可算出。
结果，对于0 V至10 V输入，VREF = 5 V，R3 = 11 kΩ，R4 =
0.10
22.6 kΩ，且 R5 = 1 kΩ
(8)
失调误差 (%FSR) = −0.013%，其中，VIN = 0 V；IQ1 = 3.9 mA
失调误差 (%FSR) = 0.718%，其中，VIN = 10 V；IQ1 = 19.8 mA
为了最大限度地减小该失调误差，可使用两个0.1%电阻组
合，以便更接近算出的电阻值。
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0
–0.05
–0.10
–0.15
–0.20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
VOLTAGE INPUT (V)
4.0
4.5
5.0
11284-002


 VIN VREF 

( R3 )( R4 )( R5 ) 
+





R4 
 R3
(
)
−
IQ1
ideal


[(
)(
)
(
)(
)
(
)(
)]
50
+
+
Ω
R3
R4
R4
R5
R3
R5
 × 100%



16
mA








TOTAL ERROR (%FSR)
0.05
失调误差 (%FSR) =
图2. 总发射器误差(% FSR)与输入电压(范围：0 V至5 V)的关系
TOTAL ERROR (%FSR)
CN-0314
0.7
接收器配置
0.6
图4所示为简化的接收器配置。接收器电路将电流信号转
0.5
换成电压电平，该电平与采用2.5 V或5 V基准电压源的多数
单端输入ADC相兼容。
0.4
0.3
0.2
0.1
–0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
VOLTAGE INPUT (V)
8
9
10
11284-003
0
图3. 总发射器误差(% FSR)与输入电压(范围：0 V至10 V)的关系
VCC
7V TO 36V
P5-1
J1
VOUT
P5-2
ADR02
R12
23.7kΩ
20kΩ
R13
4.53kΩ
R14
24.3kΩ
330pF
P1-1
IIN 0.2V TO 1V
R11
1.58kΩ
+IN
P4
+VS
0.2V TO 2.3V
0.2V TO 4.8V
4mA TO 20mA
P1-2
20kΩ
0V
AD8420
3.3nF
VOUT
FB
–IN
REF
−VS
R10
1kΩ
330pF
NOTE: R10, R11, R12, R13 AND R14 ARE 0.1%
图4. 4 mA至20 mA接收器配置的简化原理图。
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J2
11284-004
R6
50Ω
0.1%
CN-0314
电阻R6用于检测4 mA至20 mA信号，并将其转换成0.2 V至
有
1 V的输入电压以提供给放大器。 然后，输入电压反射过放
R13 = 4560 Ω
大器的FB和REF引脚。不同于输出电压范围为1 V至5 V的多
R14 = 24000 Ω
数直接增益接收器，电路采用ADR02和增益及调整电阻来
提高0.2 V至4.8 V的输出范围。这使采用5 V基准电压源的ADC
的输入动态范围实现了最大化。结果带来的额外裕量为整
电路板上提供的电阻是值最接近EIA标准0.1%的电阻，可
从供应商处取得。因此，电路板随附电阻的实际值如下：
个输入信号范围提供了线性度保障。接收器电路也可以用
R11 = 1580 Ω且R12 = 23700 Ω
跳线P4进行配置，以便为采用2.5 V基准电压源的ADC提供
R13 = 4530 Ω且R14 = 24300 Ω
0.2 V至2.3 V的输出电压。
根据电路板提供的这些值，电阻值引起的误差可计算如下：
不同于许多其他单电源仪表放大器，对于这种应用，AD8420
的关键优势在于，它可以检测近地电流，而不会超过输入
范围，也不会遇到共模限制。另外，AD8420还具有增益和
对于0.2 V至2.3 V的输出范围，VREF = 5 V，R11 = 1580 Ω，
R12 = 23700 Ω，且R10 = 1 kΩ。
电平转换能力，不会像简单的电阻分压器一样浪费ADC输
失调误差 (%FSR) =
入范围。


 R11 
R11 R11 
 – VREF 
 – V OUT _ IDEAL
–
 VFB  1 +



R10 R12 

 R12 


V OUT _ MAX – V OUT _ MIN



增益和调整电阻的选择
AD8420的增益一般通过两个电阻(R11和R10)的比值来设
定。然而，电路采用ADR02以利用被低端直接增益浪费的
(15)
20%的额外范围。以下等式展示了如何获得针对目标输出
失调误差(%FSR) = −0.190%，其中，VFB = 0.2 V；VOUT_IDEAL
电压范围的增益值和调整电阻值。
VOUT MIN – 0.200 V
R11
+
VREF – 0.200 V
R12
=
= 0.2 V
0.200 V
R10
VOUT MAX – 1 V VREF – 1 V 1 V
+
=
R11
R12
R10
其中：
失调误差(%FSR) = 0.635%，其中，VFB = 1 V；VOUT_IDEAL =
(9)
(10)
2.3 V
对于0.2 V至4.8 V的输出范围，VREF = 5 V，R13 = 4530 Ω，
R14 = 24300 Ω，且R10 = 1 kΩ。
失调误差 (%FSR) =
VREF = 5 V

 R13 

R13 R13 
 – V OUT _ IDEAL
 – VREF 
–
 VFB  1 +



R10 R14 

 R14 


V OUT _ MAX – V OUT _ MIN



R10 = 1 kΩ
对于0.2 V至2.3 V的输出范围：
0.2 V – 0.200 V
R11
2.3 V – 1 V
R11
+
+
5 V – 0.200 V
R12
5V – 1 V
R12
=
=
0.200 V
(11)
1 kΩ
1 kΩ
0.2 V
(12)
失调误差(%FSR) = −0.341%，其中，VFB = 1 V；VOUT_IDEAL =
4.8 V
R11 = 1560 Ω
R12 = 24000 Ω
也可使用两个0.1%电阻组合，以便更接近计算值，从而最
大限度地减小该失调误差。
对于0.2 V至4.8 V的输出范围：
0.2 V – 0.200 V
R13
R13



 × 100%



(16)
失调误差(%FSR) = 0.243%，其中，VFB = 0.2 V；VOUT_IDEAL =
1V
我们可以得到电阻值：
4.8 V – 1 V



 × 100%



+
+
5 V – 0.200 V
5V – 1 V
R14
R14
=
=
0.200 V
(13)
1 kΩ
对电阻容差导致的总误差的合理近似推算是假设每个关键
1V
1 kΩ
总接收器电路精度
电阻对总误差贡献都相等。四个关键电阻为R11或R13、
(14)
R12或R14、R6和R10。0.1%电阻导致的最差情况下的容差
可造成0.4%总电阻误差最大值。若假定rss误差，则总rss误
差为0.1√4 = 0.2%。
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CN-0314
因系统中有源元件导致的最大误差和rss误差(AD8420使用
0.2
A级，ADR02使用B级)如下表所示。
0.1
误差值
0.06%
250 µV
0.05%
误差(%FSR)
0.01%
0.01%
0.05%
0.014%
0.05%
0.064%
0.02%
0.05%
0.07%
0
–0.1
–0.2
–0.3
–0.4
–0.5
–0.6
0
2
4
6
8
10
12
14
CURRENT INPUT (mA)
16
18
20
11284-006
误差
失调
失调
增益
TOTAL ERROR (%FSR)
表2. 有源元件导致的误差
误差元件
ADR02-B
AD8420-A
AD8420-A
RSS FS失调
RSS FS增益
RSS FS误差
最大FS失调
最大FS增益
最大FS误差
图6. 总接收器误差(%FSR)与输入电压(范围：4 mA至20 mA)
在0.2 V至4.8 V输出范围下的关系
给因有源元件导致的最差情况误差加上最差情况电阻容差
有关EVAL-CN0314-EB1Z发射器/接收器板的设计支持包(包
误差0.4%，结果得到：
括 完 整 的 原 理 图 、 物 料 清 单 和 布 局 文 件 )， 请 参 考 ：
满量程误差 = 0.4% + 0.07% = 0.47%
这些误差假定选用理想电阻，同时假定，这些误差来源于
http://www.analog.com/CN0314-DesignSupport。
常见变化
其容差。
接收器电路的实际误差数据见图5和图6，其中，VCC = 25 V。
总输出误差(%FSR)通过将实测输出电压与理想输出电流的差
除以输出电压的FSR，然后将计算结果乘以100即可算出。
经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工
作，并具有良好的精度。可在该配置中使用其他基准电压
和仪表放大器，以适应该电路的其他应用。
AD8237是一款微功耗、零漂移、真正轨到轨仪表放大器，
0.4
也可用于本电路配置的低电源电压版本。
0.3
准电压源ADR4550来代替ADR02。
0.1
0
–0.1
–0.2
–0.3
0
2
4
6
8
10
12
14
CURRENT INPUT (mA)
16
18
20
11284-005
TOTAL ERROR (%FSR)
针对低电流电压应用，可使用高精度、低功耗、低噪声基
0.2
图5. 总接收器误差(%FSR)与输入电流(范围：4 mA至20 mA)
在0.2 V至2.3 V输出范围下的关系
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CN-0314
电路评估与测试
设备要求
• EVAL-CN0314-EB1Z评估板
• Agilent E3631A双直接电源(或等效设备)
• Yokogawa 2000双直接电源(或等效设备)
• Agilent 3458精密万用表(或等效设备)
测试设置配置和测试
电 路 通 过 图 7和 图 8所 示 测 试 设 置 进 行 了 测 试 。 Agilent
3631A设为25 V，作为评估板的电源。Agilent 3458万用表用
11284-009
于测量评估板的实际电流或电压输出。EVAL-CN0314-EB1Z
的照片如图9所示。
对于发射器配置测试设置(图8)，利用一个Yokogawa 2000精
图9. EVAL-CN0314-EB1Z板的照片
密直流源来产生0 V至5 V或0 V至10 V的差分输入范围。S1
针对4 mA至20 mA发射器的开关和跳线设置
开关必须置于“V-I”位，以将电路配置为发射器。
对于如图1所示发射配置，开关S1应置于“V-I”位。对于0 V
P2-1
COM
P2-2
P5-1
EVAL-CN0314-EB1Z
P5-2
POWER SUPPLY
至10 V的输入范围，跳线P3应置于“0–10V”位，对于0 V至5 V
VOUT
的输入范围，则应置于“0–5V”位。同时参见图9所示评估
COM
板照片。
CURRENT METER
针对4 mA至20 mA接收器的开关和跳线设置
COM
11284-007
PRECISION
VOLTAGE
SOURCE
V+
I
对于如图4所示接收器配置，开关S1应置于“I-V”位。对于
0.2 V至2.3 V的输入范围，跳线P4应置于“0.2-2.3V”位，对于
0.2 V至4.8 V的输入范围，则应置于“0.2-4.8V”位。同时参见
图7. 发射器测试设置的功能框图
对于接收器配置测试设置(图9)，利用第二块EVAL-CN0314-
图9所示评估板照片。
EB1Z来产生4 mA至20 mA的输入电流。如果需要可以使用
精密电流源。S1开关必须置于“I-V”位，以将电路配置为接
收器。
POWER SUPPLY
P5-1
VOUT
P5-2
COM
EVAL-CN0314-EB1Z
VOLTAGE METER
P1-1
P1-2
VOUT
V
J1
COM
COM
11284-008
CURRENT IOUT
SOURCE
COM
图8. 接收器测试设置的功能框图
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CN-0314
了解详情
CN-0314 Design Support Package:
http://www.analog.com/CN0314-DesignSupport
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of AGND and DGND. Analog Devices.
MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and
Rail-to-Rail Issues. Analog Devices.
MT-065 Tutorial, In-Amp Noise. Analog Devices.
MT-066 Tutorial, In-Amp Bridge Circuit Error Budget Analysis.
Analog Devices.
MT-087 Tutorial, Voltage References. Analog Devices.
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices.
Voltage Reference Wizard Design Tool.
数据手册和评估板
CN-0314 Circuit Evaluation Board (EVAL-CN0314-EB1Z)
AD8420 Data Sheet
ADR02 Data Sheet
修订历史
2014年3月—修订版0： 初始版
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CN11284sc-0-3/14(0)
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