电路笔记 CN-0295 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/CN0295. 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 ADA4091-4 精密微功耗OVP、RRIO运算放大器 灵活的4 mA至20 mA压力传感器变送器，集成电压或电流驱动 评估和设计支持 该电路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5个有源器件，总不可调整误差低于1%。电 CN0295评估板(EVAL-CN0295-EB1Z) 源范围为7 V至36 V，具体取决于元件和传感器驱动器配置。 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所示电路是一款灵活的电流发送器，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 VCC +VCC 1/4 ADA4091-4 U2A +VREF VDRIVE R6 10kΩ I15 4mA, 20mA +VCC +5V J3-3 R5 2kΩ ADR02 +VCC RBRIDGE RBRIDGE R1 J3-2 4.02kΩ VIN RBRIDGE RBRIDGE +VREF R7 11.5kΩ R8 1kΩ +VSS G = 16.06 VCC R12 1kΩ +VCC 10nF R2 4.02kΩ J3-4 VIN = 0mV; 100mV J3-1 1nF R3 3.28kΩ U1 AD8226 VOUT Q2 1/4 ADA4091-4 100Ω Q1 U2D P1-1 1/4 1nF REF ADA4091-4 Q1: BC847C, 215 Q2: SI2319DS-T1-E3 U2C +VCC 0.4V, 2.0V 0.4V 1/4 R15 100Ω I13 0.4mA, 2.0mA R13 1kΩ R14 499Ω P1-2 PCB GROUND 11610-001 ADA4091-4 J1-1 J1-2 U2B 图1. 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-0295 电路描述 压驱动配置，S1位置最靠近识别标志(参见CN0295设计 该设计提供完整的4 mA至20 mA发送器压力传感器测量解 支 持 包 中 的 完 整 电 路 布 局 和 原 理 图 ： 决方案。有三个重要的电路级：传感器激励驱动、传感器 http://www.analog.com/CN0295-DesignSupport)。电压驱动 输出放大器和电压-电流转换器。 通常采用该级的增益(1 + R5/R6)配置为6 V电桥驱动电压。 电路所需总电流(不计电桥驱动电流和输出电流)为5.23 mA 其他驱动电压可通过适当改变电阻比获得： R5 V DRIVE = 5 V 1 + R6 (最大值)，如表1所示。 表1. 25°C时最大电路电流 请注意，电源电压VCC应至少比电桥驱动电压高0.2 V，以便 电流(mA) 0.80 1.00 0.43 0.60 0.40 2.00 5.23 让U2A具有足够的裕量。ADA4091-4： V CC ≥ V DRIVE + 0.2 V For the values shown in Figure 2, R5 = 2 kΩ, R6 = 10 kΩ, IDRIVE = 2 mA, VDRIVE = 6 V, and VCC ≥ 6.2 V. 该电路选择运算放大器ADA4091-4，因为它具有低功耗(每 个放大器250 μA)、低失调电压(250 μV)以及轨到轨输入输出 激励：电压驱动配置 特性。 需使用电压驱动或电流驱动，具体取决于所选压力传感 器。该电路使用四分之一的ADA4091-4 (U2A)，并通过 开关S1选择不同配置，支持两种选项之一。图2显示电 因为ADR02的精度(A级：0.1%，B级：0.06%)和低静态电流 (0.8 mA)特性，选用ADR02作为5 V基准电压源。 +VCC +5V 1/4 ADA4091-4 U2A VDRIVE IDRIVE IDRIVE = 2mA FOR VDRIVE = 6V, RBRIDGE = 3kΩ J3-3 R5 2kΩ RBRIDGE RBRIDGE J3-2 R6 10kΩ RBRIDGE J3-1 R1 4.02kΩ +V AD8226 INPUT RBRIDGE J3-4 R2 4.02kΩ –V 图2. 传感器电压驱动配置(原理示意图：未显示所有连接和去耦) Rev. 0 | Page 2 of 6 VCM = 3V 11610-002 元件 ADR02 ADA4091-4 AD8226 R5、R6(6 V时) R7、R8(5 V时) R13(2 V时) 总计 CN-0295 激励：电流驱动配置 通过下式可计算驱动电压VDRIVE： 通过将S1移动至离开识别标志最远的位置，便可将电路切 换至图3所示的电流驱动配置。 VCC电源需要0.2 V裕量，因此： 在电流驱动模式中，电路配置为R4 = 2.5 kΩ且IDRIVE = 2 mA。 使用下式选择R4值，可获得较低或较高的IDRIVE值。 在图3中，RBRIDGE = 3 kΩ、IDRIVE = 2 mA、VDRIVE = 11 V、VCC ≥ 11.2 V。 +VCC 1/4 ADA4091-4 U2A VDRIVE IDRIVE VDRIVE = 5V + IDRIVE × RBRIDGE = 11V FOR RBRIDGE = 3kΩ J3-3 RBRIDGE RBRIDGE J3-2 RBRIDGE J3-1 IDRIVE = 2mA R1 4.02kΩ +V AD8226 INPUT RBRIDGE J3-4 R2 4.02kΩ VCM = 8V –V R4 2.5kΩ 图3. 传感器电流驱动配置(原理示意图：未显示所有连接和去耦) Rev. 0 | Page 3 of 6 11610-003 +5V CN-0295 电桥输出仪表放大器和失调电路 最小V CC 电源电压同样取决于电桥的驱动电路配置。在 电桥输出采用带宽为39.6 kHz的共模滤波器(4.02 kΩ、1 nF) VDRIVE = 6 V的电压驱动模式下，电源电压VCC必须大于6.2 V， 以及带宽为1.98 kHz的差模滤波器(8.04 kΩ、10 nF)滤波。 这样U2A才能保持足够的裕量(见图2)。 AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差 在电流驱动模式下，电源电压VCC必须大于11.2 V，这样U2A (0.1%，B级)、低失调(G = 16时58 μV，B级；G = 16时112 μV， 才能保持足够的裕量(见图3)。 A级)、出色的增益非线性度(75 ppm = 0.0075%)以及轨到轨 输入和输出特性。 AD8226仪表放大器使用R3 = 3.28 kΩ的增益设置电阻，放大 100 mV FS信号16倍到1.6V。增益G和R3的关系如下： VCC电源电压限值为36 V(最大值)。 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 ADR02的A、B级最大误差及rss误差。请注意，运算放大 器ADA4091-2仅在一种等级水平下可用。 其中，G = 16、R3 = 3.2933 kΩ。为R3选择最接近的标准0.05% 表2. 有源器件造成的误差(A级) 值(3.28 kΩ)，得到增益G = 16.06，总增益误差为+0.4%。 误差元件 AD8226-A ADR02-A ADA4091-4 (U2B) ADA4091-4 (U2C) ADA4091-4 (U2D) 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 对于0 V电桥输出而言，输出环路电流应当为4 mA。只需将 +0.4 V失调施加于AD8226仪表放大器的REF输入即可获得该 数值，如图1所示。+0.4 V来自ADR02 5 V基准电压源，使用 分压器电阻R7/R8并利用U2B缓冲电压即可。 使用ADR02 5 V基准电压设置电桥的驱动电压或电流，以及 设置4 mA零电平失调。其初始精度为0.06%(B级)，并且具有 10 μV p-p电压噪声。此外，它可以采用高达36 V的电源电压 工作，且功耗不足1 mA，是低功耗应用的理想选择。 电压电流转换 AD8226的0 V至100 mV输入可在VOUT产生0.4 V至2.0 V的输 出摆幅。U2C缓冲器将此电压施加于R13的两端，产生相 应的0.4 mA至2.0 mA电流I13。晶体管Q1随后将I13电流镜像 到R12，所得电压施加于R15，由此实现4 mA至20 mA的最 终环路电流。晶体管Q1应具有至少300的高增益，才能最 大程度减少基极电流引起的线性误差。 输出晶体管Q2是一个40 V P沟道MOSFET功率晶体管，25°C 时功耗为0.75 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Q2功耗为0.68 W。然而，通过选择合适的VCC，使 其至少高出最大环路负载电压3 V，就能大幅减少Q2功耗。 这样便可确保检测电阻R15两端的电压降具有足够的裕量。 误差 失调 失调 失调 失调 失调 增益 误差值 112 µV 0.10% 250 µV 250 µV 250 µV 0.15% 误差(%FSR) 0.11% 0.02% 0.02% 0.02% 0.02% 0.15% 0.12% 0.15% 0.27% 0.19% 0.15% 0.34% 误差值 58 µV 0.06% 250 µV 250 µV 250µV 0.10% 误差(%FSR) 0.06% 0.01% 0.02% 0.02% 0.02% 0.10% 0.07% 0.10% 0.17% 0.13% 0.10% 0.23% 表3. 有源器件造成的误差(B级) 误差元件 AD8226-B ADR02-B ADA4091-4 (U2B) ADA4091-4 (U2C) ADA4091-4 (U2D) AD8226-B RSS失调 RSS增益 RSS FS误差 最大失调 最大增益 最大FS误差 电压电源要求 若要使电路正常工作，电源电压VCC必须大于7 V，以便为 ADR02基准电压源提供充分的裕量。 Rev. 0 | Page 4 of 6 误差 失调 失调 失调 失调 失调 增益 CN-0295 总电路精度 针对低电源电压应用，可使用高精度、低功耗、低噪声基 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 准电压源ADR4550代替ADR02。 电阻对总误差贡献都相等。6个关键电阻是R3、R7、R8、 电路评估与测试 R12、R13和R15。0.1%电阻导致的最差情况下的容差可造 成0.6%总电阻误差最大值。若假定rss误差，则总rss误差为 设备要求 • EVAL-CN0295-EB1Z评估板 0.1√6 = 0.245%.。 • Agilent 36311A精密直流电源 将0.6%最差情况下的电阻容差误差加入到前文中由于有源 • Yokogawa 2000精密直流电源 元件(A级)造成的最差情况误差中，可得： • Agilent 3458A精密万用表 • 失调误差 = 0.19% + 0.6% = 0.79% 评估板电流输出的线性误差采用图5中的设置进行测量。 • 增益误差 = 0.15% + 0.6% = 0.75% • 满量程误差 = 0.34% + 0.6% = 0.94% FOR TESTS, VCM = 3V, RBRIDGE = 3kΩ, VCC = 25V V+ 这些误差假定选用电阻计算值，因此误差仅来源于其容差。 PRECISION V POWER SUPPLY DIFF COM 虽然电路允许具有1%或更低的总误差，若要求更佳的精 RBRIDGE/2 度，则电路需具备失调和增益调节能力。针对4 mA输出和 VOUT2 CH2 COM2 量程100 mV输入，通过改变R3调节满量程。这两项调节是 相互独立的；假定首先进行失调校准。 RBRIDGE/2 COM1 CH1 VOUT1 差(%FSR)通过将理想输出电流与测量输出电流的差除以 FSR (16 mA)，然后将计算结果乘以100即可算出。 0.15 J3-2 J3-4 DUAL POWER SUPPLY 电路的实际误差数据见图4，其中VCC = 25 V。输出电流总误 EVAL-CN0295-EB1Z VCC CURRENT METER J2-2 J1-1 I J2-1 J1-2 COM 图5. 测试设置框图 测试 0.10 TOTAL ERROR (%FSR) VCM 11610-005 零电平输入，可通过调整R7或R8来校准失调，然后针对满 使用Agilent E3631A和Yokogawa精密电压电源为评估板供 电，并仿真传感器输出。Agilent E3631A的CH2设为25 V， 0.05 用作评估板电源；另一通道CH1设为2.5 V，用以产生共模 0 电压。该通道与Yokogawa 2000串联连接，如图5所示。 Yokogawa在仪表放大器输入端产生0至100 mV差分输入电 –0.05 压，可仿真传感器输出。 –0.10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 BRIDGE OUTPUT (mV) 11610-004 –0.15 Agilent 3458A用于测量评估板的实际电流输出，与J1串联 连接。 图4. 输出电流(%FSR)的总误差与电桥电压的关系(VCC = 25 V) 常见变化 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ADI公司的其 他基准电压源、精密运算放大器和仪表放大器以建立4 mA 至20 mA模拟电流输出，用于本电路的其他应用中。 针对多输入通道应用，还可使用双通道、低成本、宽电源 范围仪表放大器AD8426。 Rev. 0 | Page 5 of 6 CN-0295 了解详情 CN-0295 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0295-DesignSupport MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues. Analog Devices. MT-051 Tutorial, Current Feedback Op Amp Noise Considerations MT-065 Tutorial, In-Amp Noise MT-066 Tutorial, In-Amp Bridge Circuit Error Budget Analysis MT-087 Tutorial, Voltage References MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of AGND and DGND. Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices. Voltage Reference Wizard Design Tool. 数据手册和评估板 AD8226 Data Sheet ADA4091-4 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. CN11610sc-0-5/13(0) Rev. 0 | Page 6 of 6