电路笔记 CN-0289 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits 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/CN0289. AD8226 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 ADA4091-2 精密微功耗、OVP、RRIO双通道 运算放大器 集成电压或电流驱动的灵活4 mA至20 mA 环路供电压力传感器变送器 评估和设计支持 该设计针对各种桥式电压或电流驱动型压力传感器而优 电路评估板 化，仅使用了4个有源器件，总不可调整误差低于1%。环 CN0289评估板(EVAL-CN0289-EB1Z) 路电源电压范围为12 V至36 V。 设计和集成文件 该电路的输入具有ESD保护功能，并且可提供高于供电轨 原理图、布局文件、物料清单 的电压保护，是工业应用的理想选择。 电路功能与优势 图1所示电路是一款鲁棒且灵活的环路供电电流变送器， 可将压力传感器的差分电压输出转换为4 mA至20 mA电流 输出。 +5V +VLOOP +5V VOUT U2A 1/2 ICIRCUIT VIN J2-1 ILOOP ADR02 ADA4091-2 39.60µA I12 G = 50.00 +VLOOP VDRIVE J1-3 RBRIDGE R5 10kΩ U3 RBRIDGE R6 10kΩ 10nF R2 J1-4 4.02kΩ VOUT 0V, 5.00V R3 1.008kΩ VLOOP_SUPPLY ILOOP – ICIRCUIT U1 U2B 1/2 ADA4091-2 R9 31.56kΩ 12V TO 36V Q1 ZXT13N50DE6TA 30kΩ AD8226 I9 0µA, 158.42µA ICIRCUIT REF 1nF J1-1 +VLOOP +VLOOP 1nF RBRIDGE R1 J1-2 4.02kΩ RBRIDGE R12 126.25kΩ 0V I10 VIN: 0mV, 100mV J2-2 3.960mA, 19.802mA R10 1kΩ PCB GROUND –39.60mV, –198.02mV R8 10Ω I8 39.60µA, 198.02µA I10 LOOP LOAD – R7 250Ω + ILOOP ILOOP: 4.000mA, 20.000mA LOOP GROUND 10947-001 NOTES 1. R8, R10 ARE STANDARD 0.1% VALUES. R5, R6 ARE STANDARD 1% VALUES. R3, R9, R12 ARE CALCULATED VALUES (SEE TEXT). 2. VOLTAGES MEASURED WITH RESPECT TO PCB GROUND. 图1. 鲁棒的环路供电压力传感器信号调理电路，具有4 mA至20 mA输出(显示为传感器电压驱动模式)， 原理示意图：未显示所有连接和去耦 Rev. 0 Circuits from the Lab™ circuits 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 to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0289 电路描述 传感器激励驱动 该设计提供完整的4 mA至20 mA变送器压力传感器检测解 需使用电压驱动或电流驱动，具体取决于所选压力传感 决方案，整个电路由环路供电。有三个重要的电路级：传 器。该电路使用一半的ADA4091-2 (U2A)，并通过开关S1选 感器激励驱动、传感器输出放大器和电压-电流转换器。 择不同配置，支持两种选项之一。开关S1提供其中一种驱 电路所需总电流为1.82 mA(最大值)，如表1所示。因此，可 动选择。 在不超过4 mA最大可用环路电流的情况下使用电桥驱动电 激励：电压驱动配置 流高达2 mA的压力传感器。 图2显示S1的电压驱动配置，S1位于PCB上标有VOLTAGE DRIVE处(完整电路布局和原理图参见CN0289设计支持 表1. 25°C时最大电路电流 电流(mA) 0.80 0.50 0.43 0.05 0.04 1.82 包：http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport)。 +VLOOP 5V IDRIVE = 2 mA FOR VDRIVE = 10V, RBRIDGE = 5kΩ 1/2 ADA4091-2 U2A VDRIVE IDRIVE J1-3 PCB GROUND R5 10kΩ R6 10kΩ PCB GROUND RBRIDGE RBRIDGE RBRIDGE RBRIDGE R1 J1-2 4.02kΩ R2 J1-4 4.02kΩ +V AD8226 INPUT VCM = 5V –V J1-1 PCB GROUND 图2. 传感器电压驱动配置(RBRIDGE = 5 kΩ、VDRIVE = 10 V) Rev. 0 | Page 2 of 7 10947-002 元件 ADR02 ADA4091-2 AD8226 R5、R6(10 V时) R12(5 V时) 总计 CN-0289 电压驱动电路通常配置为10 V电桥驱动电压。在该模式下， 其中： 允许的最小电桥电阻为： 请注意，环路电压VLOOP应至少比电桥驱动电压高0.2 V，以 对于低于5 kΩ的电桥电阻而言，可通过移除R6并使用缓冲 便让U2A具有足够的裕量。 器配置，将驱动电压降低至5 V。 激励：电流驱动配置 通过下式选择合适的R6，便可获得驱动电压的其他值： 通过将S1移动至PCB上标有CURRENT DRIVE的位置，便可 将电路切换至图3所示的电流驱动配置。 +VLOOP 5V 1/2 ADA4091-2 U2A VDRIVE = 5V + IDRIVE × RBRIDGE = 11V, FOR RBRIDGE = 3kΩ VDRIVE J1-3 RBRIDGE RBRIDGE RBRIDGE R1 J1-2 4.02kΩ R2 J1-4 4.02kΩ +V AD8226 INPUT VCM = 8V –V J1-1 IDRIVE × R4 = 5V IDRIVE = 2mA R4 2.49kΩ PCB GROUND 图3. 传感器电流驱动配置(RBRIDGE = 3 kΩ) Rev. 0 | Page 3 of 7 10947-003 PCB GROUND RBRIDGE CN-0289 在电流驱动模式中，必须保留最大允许的2 mA电桥驱动电 流。电路配置为R4 = 2.49 kΩ且IDRIVE = 2 mA。使用下式选择 R4值，可获得较低的IDRIVE值： 流经R12的电流为： 通过下式可计算驱动电压VDRIVE： 流经R9的电流为： U2A电源需要0.2 V裕量，因此： R9值可通过下式计算： 在图3中，R BRIDGE = 3 kΩ、I DRIVE = 2 mA、V DRIVE = 11 V、 VLOOP ≥ 11.2 V。 实际使用时，R3、R12和R9的计算值将不作为标准值提 该电路选择运算放大器ADA4091-2，因为它具有低功耗(每 供，因此电路所用的实际值将产生固定误差。这些误差可 个放大器250 μA)、低失调电压(250 μV)以及轨到轨输入输 通过下式计算。 出特性。 电阻R3、R9和R12产生的增益、失调和总误差测量值，以 %FSR表示(其中，FSR = 16 mA)： 电桥输出仪表放大器以及增益和失调电阻选择 电桥输出采用带宽为39.6 kHz的共模滤波器(4.02 kΩ、1 nF) 以及带宽为2 kHz的差模滤波器(8.04 kΩ、10 nF)滤波。 AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差 (0.1%，B级)、低失调(G = 50时58 μV，B级；G = 50时112 μV， A级)、出色的增益非线性度(75 ppm = 0.0075%)以及轨到轨 输出特性。 AD8226仪表放大器以系数50 V至5 V放大100 mV FS信号， 增益设置电阻R3 = 1.008 kΩ。增益G和R3的关系如下： 零电平输出(4 mA)时的总误差不受增益误差影响。 而满量程输出(20 mA)时的总误差可计算如下： 满量程误差 = 增益误差 + 失调误差 其中，G = 50， R3 = 1008 Ω。 实际电路中，必须选择最接近EIA标准的0.1%电阻，因此 输出零值环路电流ILO = 4 mA： 可得前文所述的固定增益和失调误差。可使用两个0.1%电 阻组合，以便更接近计算值。例如，下列0.1%电阻的串联 组合非常接近计算值： 由于R10与R8之比为100:1： • R3 = 1 kΩ + 8.06 Ω = 1008.06 Ω(计算值 = 1008 Ω) 合并最后两式可得： • R9 = 30.9 kΩ + 655 Ω = 31.555k Ω(计算值 = 31.56 kΩ) ILO = 4 mA时，AD8226输出为0 V；失调电阻R12可计算如下： • R12 = 124 kΩ + 2.26 kΩ = 126.26 Ω(计算值 = 126.25 Ω) 这些组合的误差计算如下： • 失调误差 = −0.008% FSR 若VOUT= 5.00 V，则输出环路电流ILH = 20 mA，因此： • 增益误差 = +0.010% FSR • 满量程误差 = +0.002% FSR 然而在某些情况下，电阻供应商甚至连标准0.1%电阻值都 无法提供，因此需进行替换。 Rev. 0 | Page 4 of 7 CN-0289 若要使电路正常工作，电源电压VLOOP必须大于7 V，以便为 例如，EVAL-CN0289-EB1Z评估板提供的电阻值如下： ADR02基准电压源提供充分的裕量。 • R3 = 1000 Ω(计算值 = 1008 Ω) • R9 = 31.6 kΩ(计算值 = 31.56 kΩ) 因此， • R12 = 124 kΩ(计算值 = 126.25 kΩ) 根据评估板提供的数值，电阻值引起的误差可计算如下： 对于20 mA最大环路电流以及R7 = 250 Ω： • 失调误差 = +0.45% FSR • 增益误差 = +0.66% FSR 最小环路电源电压同样取决于电桥的驱动电路配置。在 • 满量程误差 = +1.11% FSR V DRIVE = 10 V的电压驱动模式下，电源电压V LOOP必须大于 10.2 V，这样U2A才能保持足够的裕量(见图2)。 基准电压 使用ADR02 5 V基准电压设置电桥的驱动电压或电流，以 在电流驱动模式下，电源电压VLOOP必须大于11.2 V，这样 及设置4 mA零电平失调。其初始精度为0.1%(A级)、0.06% U2A才能保持足够的裕量(见图3)。 (B级)，并且具有10 μV p-p电压噪声。此外，它将采用高达 环路电源电压限值为36 V(最大值)。 36 V的电源电压工作，且仅消耗1 mA(最大值)，是环路供 电应用的理想选择。 有源元件的误差分析 表2和表3分别表示系统中因有源元件造成的AD8226和 电压电流转换 ADR02的A、B级最大误差及rss误差。请注意，运算放大 通过强制数值大小为信号分量(I9)和失调分量(I12)之和的电 器ADA4091-2仅在一种等级水平下可用。 流流过R10，即可产生4 mA至20 mA输出电流。电流(I10 = I9 表2. 有源器件造成的误差(A级) + I12)在R10两端产生电压，该电压通过U2B和Q1施加于感测 电阻R10。流经R8的电流是流经R10电流的100倍。因此， 环路电流ILOOP可由下式算得： 选择的R8 (10 Ω)和R10 (1 kΩ)数值要能够轻松得到0.1%容差。 为了让电路正常工作，电路电流ICIRCUIT必须始终低于4 mA的 最小环路电流。此外，任何情况下均不得将PCB地与环路 地相连，并且PCB地和传感器必须对环路地自由浮空。 受U2B输出控制的双极性NPN晶体管产生环路电流，并且 增益应当至少为300，以便最大程度减少线性误差。其击 穿电压应至少为50 V。 输出晶体管Q1是一个50 V NPN功率晶体管，25°C时功耗为 1.1 W。在20 mA输出电流输入至0 Ω环路负载电阻且VCC电 源为36 V时，电路具有最差情况下的功耗。这些条件下的 Q1功耗为0.68 W。 驱动电路板的电源电压VLOOP取决于环路电源VLOOP_SUPPLY、 环路负载R7和环路电流ILOOP。这些数值的关系如下： 误差元件 AD8226-A ADR02-A ADA4091-2 AD8226-A RSS失调 RSS增益 RSS FS误差 最大失调 最大增益 最大FS误差 误差 失调 失调 失调 增益 误差值 112µV 0.10% 250µV 0.15% 误差(%FSR) 0.11% 0.02% 0.16% 0.15% 0.20% 0.15% 0.35% 0.29% 0.15% 0.44% 误差值 58µV 0.06% 250µV 0.10% 误差(%FSR) 0.06% 0.01% 0.16% 0.10% 0.10% 0.17% 0.27% 0.23% 0.10% 0.33% 表3. 有源器件造成的误差(B级) 误差元件 AD8226-B ADR02-B ADA4091-2 AD8226-B RSS增益 RSS失调 RSS FS误差 最大失调 最大增益 最大FS误差 Rev. 0 | Page 5 of 7 误差 失调 失调 失调 增益 CN-0289 0.9 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电 0.8 阻对总误差贡献都相等。5个关键电阻是R3、R8、R9、R10 0.7 TOTAL ERROR (%FS) 总电路精度 和R12。0.1%电阻导致的最差情况下的容差可造成0.5%总电 阻误差最大值。若假定rss误差，则总rss误差为0.1√5 = 0.224%。 由于有源器件(A级)造成的误差，需要在之前的最差情况 误差之上增加0.5%的最差情况电阻容差误差： • 失调误差 = 0.29% +0.5% = 0.79% AD8226 OUTPUT ZERO ERROR = +0.35% 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 GAIN ERROR = –0.47% 0.1 • 增益误差 = 0.15% + 0.5% = 0.65% FULL SCALE ERROR = –0.02% –0.1 • 满量程误差 = 0.44% + 0.5% = 0.94% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 BRIDGE OUTPUT (mV) 这些误差假定选用理想电阻，因此误差仅来源于其容差。 10947-004 0 图4. 输出电流(%FSR)的总误差与电桥输出的关系 (3 kΩ电桥，24 V环路电源) 虽然电路允许具有1%或更低的总误差，若要求更佳的精 度，则电路需具备失调和增益调节能力。针对4 mA输出和 常见变化 零电平输入，可通过调整R12来校准失调，然后针对满量 经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工 程100 mV输入，通过改变R9调节满量程。这两项调节是相 作，并具有良好的精度。可在这些配置中使用其他基准电 互独立的；假定首先进行失调校准。 压、精密运算放大器和仪表放大器以建立4 mA至20 mA模 电路的实际误差数据见图4。总输出误差(%FSR)通过将理 拟电流输出，用于本电路的其他应用中。 想输出电流与测量输出电流的差除以FSR (16 mA)，然后将 ADA4091-4是 四 通 道 版 本 器 件 ， 可 用 于 代 替 双 通 道 计算结果乘以100即可算出。 ADA4091-2，提供额外的精密运算放大器。 请注意，0 mV与1 mV输入之间的误差由AD8226输出级饱 针对多输入通道应用，还可使用双通道、低成本、宽电源 和电压导致，且电路在负载条件下的误差范围为20 mV至 范围仪表放大器AD8426。 100 mV。所有轨到轨输出级均受限于其通过饱和电压(双极 性输出)或导通电阻(CMOS输出)达到供电轨的能力。 针对低电源电压应用，可使用高精度、低功耗、低噪声基 准电压源ADR4550代替ADR02。 若输出饱和电压引起的误差导致某些问题的产生，则来自 电桥的输入信号可通过在+5 V基准电压与电桥输出的其中 一侧之间连接一个适当的电阻而进行偏置。 电路评估与测试 设备要求 • EVAL-CN0289-EB1Z评估板 • Agilent E36311A双直流电源(或等效设备) • Agilent 3458A万用表(或等效设备) 电流输出测量 评估板的电流输出采用图5中的设置进行测量。测试条件为： • 环路电源：24 V • 环路负载：250 Ω • RBRIDGE = 3 kΩ • VDRIVE = 5 V • VCM = 2.5 V 桥式电阻同时连接仪表放大器的两个输入端，仿真传感器 输出。 Rev. 0 | Page 6 of 7 CN-0289 测试设置的配置与测试 了解详情 使用图5中的测试设置对电路进行测试。 CN-0289 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport. 使用Agilent E36311A双电源产生2.5 V共模电压和0 mV至100 mV 差分输入电压。 Agilent 3458A用于测量评估板的实际环路电流输出。 MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues. Analog Devices. EVAL-CN0289-EB1Z DUAL POWER SUPPLY VOUT1 CHANNEL 1 COM1 RBRIDGE ÷ 2 VDIFF MT-066 Tutorial, In-Amp Bridge Circuit Error Budget Analysis. Analog Devices. 24V J1-4 COM MT-087 Tutorial, Voltage References. Analog Devices. CURRENT METER RBRIDGE J1-1 PCB GND VOUT J2-1 J1-3 VCM MT-065 Tutorial, In-Amp Noise. Analog Devices. POWER SUPPLY J1-2 J2-2 COM MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices. I Voltage Reference Wizard Design Tool. FOR TESTS, VCM = 2.5V, RBRIDGE = 3kΩ, VDRIVE = 5V 图5. 测试设置功能框图 10947-005 VOUT2 CHANNEL 2 COM2 RBRIDGE ÷ 2 MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of AGND and DGND. Analog Devices. 数据手册和评估板 CN-0289 Circuit Evaluation Board (EVAL-CN0289-EB1Z) AD8226 Data Sheet ADA4091-2 Data Sheet ADR02 Data Sheet 修订历史 2013年5月—修订版0：初始版 (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab circuits are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN10947sc-0-5/13(0) Rev. 0 | Page 7 of 7