AME AM442 Strom-wandler-ic Datasheet

STROM–WANDLER–IC
AM442
EIGENSCHAFTEN
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
• Versorgungsspannung: 6...35V
• Großer Arbeitstemperaturbereich:
–40°C...+85°C
• Einstellbare Referenzspannungsquelle: 4,5 bis 10V
• Instrumentenverstärker mit großem
Eingangsspannungsbereich
• Zusätzliche Spannungs- und Stromquelle
• Einstellbare Verstärkung und Offset
• Zweidraht-Betrieb: 4...20mA
• Dreidraht-Betrieb: 0/4...20mA
• Einstellbarer Ausgangsstrombereich
• Verpolschutz
• Einstellbar: Stromabschaltung bei
Überspannung
• Übertemperaturabschaltung
Der AM442 ist ein monolithisch integrierter
Strom-Wandler, welcher speziell für die Aufbereitung differentieller Brückensignale entwickelt
worden ist. Das IC sowohl für Zwei- als auch
Dreidraht-Anwendungen konzipiert und besteht
aus vier Funktionsblöcken: Als Eingangsstufe
dient ein hochgenauer Instrumentenverstärker
(IA). Eine zwischen 4,5 und 10V einstellbare
Referenzspannungsquelle steht für die Versorgung externer Bauteile zur Verfügung, und eine
spannungsgesteuerte Ausgangsstufe liefert das
Stromsignal. Ein zusätzlicher Operationsverstärker kann als Strom- oder Spannungsquelle
beschaltet werden. Der AM442 liefert damit
Ausgangsströme in den gängigen Industriestandards (0/4–20mA, 12 ± 8mA) und übernimmt
die Versorgung externer Systemkomponenten.
ANWENDUNGEN
LIEFERFORMEN
•
•
•
•
• DIL16-Gehäuse
• SOP16(n)-Gehäuse
• Dice auf 5“ Dehnfolie aufgespannt
Sensorsignalverarbeitung
Programmierbare Stromquelle
Meßumformer
Leitungstreiber
BLOCKSCHALTBILD
CVREF
5
VSET
13
VREF
15
AM442
CVSET
6
Spannungsreferenz
OP
VBG
IN+
1
V
9
2
IA
3
8
I
IN−
RS+
VCC
RS−
4
OUT
10 11 12
7
14
GAIN−
GAIN+
GAIN
SET
GND
16
DIS
Abbildung 1
analog microelectronics
Analog Microelectronics GmbH
An der Fahrt 13, D – 55124 Mainz
Internet: http://www.analogmicro.de
Telefon: +49 (0)6131/91 073 – 0
Telefax: +49 (0)6131/91 073 – 30
E–Mail: [email protected]
August 2001
1/9
Rev. 2.0
STROM–WANDLER–IC
AM442
ELEKTRISCHE SPEZIFIKATIONEN
Tamb = 25°C, VCC = 24V, VREF = 5V, IREF = 1mA (unless otherwise noted)
Parameter
Symbol
Voltage Range
VCC
Quiescent Current
ICC
Conditions
Min.
Typ.
6
Tamb = – 40...+85°C, IREF = 0mA
Max.
Unit
35
V
1.5
mA
85
°C
Temperature Specifications
Operating
Tamb
–40
Storage
Tst
–55
Junction
TJ
Thermal Resistance
Θja
DIL16 plastic package
70
°C/W
Θja
SO16 narrow plastic package
140
°C/W
VREF
VSET not connected
4.75
5.00
5.25
VREF
VSET = GND, VCC ≥ 11V
9.5
10.0
125
°C
150
°C
Voltage Reference
Voltage
V
10.5
V
Trim Range
VR10
4.5
VR10
V
Current
IREF*
0
10
mA
±90
±140
ppm/°C
30
80
ppm/V
VREF vs. Temperature
dVREF/dT
Tamb = – 40...+85°C
Line Regulation
dVREF/dV
VCC = 6V...35V
dVREF/dV
VCC = 6V...35V, IREF ≈ 5mA
Load Regulation
dVREF/dI
dVREF/dI
IREF ≈ 5mA
60
150
ppm/V
0.05
0.10
%/mA
0.06
0.15
%/mA
CL
1.9
2.2
5.0
µF
Internal Reference
VBG
1.20
1.27
1.35
V
VBG vs. Temperature
dVBG/dT
±60
±140
ppm/°C
Load Capacitance
Current/Voltage Source
Tamb = – 40...+85°C
Current Source: ICV = VBG/REXT
Adjustable Current Range
ICV*
0
10
mA
Output Voltage
VCV
VCC < 19V
VBG
VCC – 5
V
VCV
VCC ≥ 19V
VBG
14
V
VCV
VCC < 19V
0.4
VCC – 5
V
VCV
VCC ≥ 19V
0.4
14
V
Voltage Source: VCV = VBG (REXT1 + REXT2) / REXT2
Adjustable Voltage Range
Output Current
Load Capacitance
ICV*
Source
ICV
Sink
CL
Source mode
0
1
10
mA
–100
µA
10
nF
SET Stage
Internal Gain
GSET
Input Voltage
VSET
0.5
1.15
V
Offset Voltage
VOS
±0.5
±1.5
mV
VOS vs. Temperature
dVOS/dT
±1.6
±5
µV/°C
Input Bias Current
IB
8
20
nA
IB vs. Temperature
dIB/dT
7
18
pA/°C
0
* In 2–wire operation a maximum current of IOUTmin – ICC is valid
Currents flowing into the IC are negative
analog microelectronics
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STROM–WANDLER–IC
Parameter
Symbol
Conditions
AM442
Min.
Typ.
Max.
Unit
0
1
5
580/GIA
mV
V
Instrumentation Amplifier
Adjustable Gain
GIA
Differential Input Voltage Range
VIN
Common Mode Input Range
SET = GND
CMIR
VCC < 9V, ICV < 2mA
1.5
VCC – 3
CMIR
VCC ≥ 9V, ICV < 2mA
1.5
6.0
V
Common Mode Rejection Ratio
CMRR
80
Power Supply Rejection Ratio
PSRR
80
Offset Voltage
VOS
±1
VOS vs. Temperature
dVOS/dT
±5
Input Bias Current
IB
8
20
nA
IB vs. Temperature
dIB/dT
6
15
pA/°C
Input Offset Current
IOS
0.2
nA
IOS vs. Temperature
dIOS/dT
0.8
pA/°C
Output Voltage Range FS
VOUTFS
Load Capacitance
CL
VOUTFS = VGAIN+ – VGAIN–
400
90
dB
90
500
dB
mV
±3
µV/°C
580
mV
250
pF
V/I Converter
Internal Gain
GVI
1.00
adjustable by R0
Trim Range
0.75
1.00
1.25
400
500
580
mV
±2
±4
mV
β F ≥ 100
±7
±14
µV/°C
3–wire operation
–25
–35
µA
3–wire operation
16
26
nA/°C
2–wire operation
9.5
14
µA
dIOUTOS/dT
2–wire operation
6
8
nA/°C
IOUTC
2–wire operation, VR0/100mV
6
8
µA
–10
–15
nA/°C
Voltage Range at R0 FS
VR0FS
Offset Voltage
VOS
β F ≥ 100
VOS vs. Temperature
dVOS/dT
Output Offset Current
IOUTOS
IOUTOS vs. Temperature
dIOUTOS/dT
Output Offset Current
IOUTOS
IOUTOS vs. Temperature
Output Control Current
IOUTC vs. Temperature
dIOUTC/dT
2–wire operation
VOUT
VOUT = RL IOUT, VCC < 18V
0
VCC – 6
V
VOUT
VOUT = RL IOUT, VCC ≥ 18V
0
12
V
Output Current Range FS
IOUTFS
IOUT = VR0/R0, 3–wire operation
Output Resistance
ROUT
Load Capacitance
CL
Output Voltage Range
0.5
20
mA
1.0
MΩ
0
500
nF
Protection Functions
Voltage Limitation at R0
VLIMR0
VR0 = VIN GIA, SET = GND
Limitation Switch-Off
DIS
DIS = VREF, SET = GND
VLIMR0
VIN = 0, VR0 = VSET/2
Temperature Limitation
TLIMIT
580
640
700
mV
VIN GIA
mV
580
635
690
mV
110
130
150
°C
35
V
Protection against reverse polarity
Ground vs. VS vs. IOUT
Current in case of reverse polarity
Ground = 35V, VS = IOUT = 0
4.5
ideal input
0.05
mA
System Parameters
Nonlinearity
analog microelectronics
0.15
%FS
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STROM–WANDLER–IC
AM442
RANDBEDINGUNGEN
Parameter
Symbol
Sense Resistor
Stabilisation Resistor
Load Resistance
Conditions
R0
IOUTFS = 20mA
R0
c = 20mA/IOUTFS
Min.
R5
IOUTFS = 20mA
R5
c = 20mA/IOUTFS
RL
limitation only for 3–wire operation
Typ.
20
25
29
Ω
c ⋅ 25
c ⋅ 29
Ω
35
40
45
Ω
c ⋅ 35
c ⋅ 40
c ⋅ 45
Ω
0
600
Ω
25
50
kΩ
200
kΩ
5.0
µF
250
nF
R1 + R2
Sum Offset Resistors
R3 + R4
20
C1
1.9
2.2
only for 2–wire operation
Unit
c ⋅ 20
Sum Gain Resistors
VREF Capacitance
Max.
Output Capacitance
C2
90
100
D1 Breakdown Voltage
VBR
35
50
T1 Forward Current Gain
βF
50
150
V
FUNKTIONSDIAGRAMME
Spannungsreferenz
oder Stromquelle
3−Draht−System
VS
RA
V
VIN
RIN
IA
IOUT
I
RB
RL
Ground
Abbildung 2
Spannungsreferenz
oder Stromquelle
2−Draht−System
VS
RA
V
VIN
RIN
IA
IOUT
RB
I
RL
Ground
Abbildung 3
analog microelectronics
August 2001
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STROM–WANDLER–IC
AM442
FUNKTIONSBESCHREIBUNG
Der AM442 ist ein monolithisch integrierter Strom-Wandler, welcher speziell für die Aufbereitung
differentieller Brückensignale entwickelt worden ist. Über die Variation einiger weniger externer
Bauteile kann der Ausgangsstrom in einem weiten Bereich eingestellt werden. Zusätzlich zu den
Widerständen R0 – R5 und der Kapazität C1 (C2) werden nur noch ein externer Ausgangstransistor
T1 und eine Diode D1 benötigt (siehe Abbildung 8 und Abbildung 9). Der externe Transistor verringert die Verlustleistung des ICs, und die Diode gewährleistet den Verpolschutz dieses Transistors.
Für die Auswahl des Transistors und der Diode muß die maximale Verlustleistung der Bauteile beachtet werden. Typische Werte für die externen Komponenten finden sich in den nachfolgenden
Anwendungsbeschreibungen.
Prinzipiell können mit dem AM442 Zwei- oder Dreidraht-Systeme für industrielle Anwendungen
realisiert werden. Eine schematische Skizze für das Dreidraht-System ist in Abbildung 2 aufgezeigt.
Die differentielle Eingangsspannung VIN ist hierbei durch einen variablen Widerstand dargestellt.
Der externe Referenzpunkt Ground ist identisch mit der IC-Masse (GND) und die Versorgungsspannung des ICs entspricht der Versorgungsspannung des Systems: VCC = VS. Im Gegensatz dazu
wird im Zweidraht-Betrieb (Abbildung 3) der IC–Masse (GND) zwischen den Widerständen R5 und
RL angeschlossen. In diesem Fall hängt die Versorgungsspannung des ICs VCC von der Versorgungsspannung des Systems VS und dem Wert des Lastwiderstands RL ab und kann berechnet werden mit:
VCC = VS − I OUT RL
Im Wesentlichen besteht der AM442 aus 4 Funktionsblöcken (siehe Abbildung 1):
1. Der hochgenaue Instrumentenverstärker als Eingangsstufe gestattet aufgrund seiner einstellbaren
Verstärkung Anwendungen für eine Vielzahl von Eingangssignalen und Sensoren. Die Verstärkung GIA wird über zwei externe Widerstände R1 und R2 eingestellt. Für die Auswahl der Widerstände muß die in den Randbedingungen angegebene Summe R1 + R2 eingehalten werden. Bei
der Beschaltung des Instrumentenverstärkers muß auf die korrekte Polarität des Eingangssignals
geachtet werden.
1. Am spannungsgesteuerte StromDIS = VREF
IOUT [mA]
ausgang kann mit Hilfe der internen Spannungsreferenz über die
30
externen Widerstände R3 und R4
(siehe die Anwendungsbeschrei20
bungen ab Seite 8) ein Offsetstrom
am Ausgang eingestellt werden.
Der Ausgangsstrom IOUT wird von
4
DIS nicht kontaktiert
einem externen Transistor T1 be0
reitgestellt, der vom Ausgang
G VIN [mV]
0
VLIMR0
(OUT) des ICs angesteuert wird.
Als besondere Eigenschaft verfügt Abbildung 4
der AM442 wahlweise über eine
Abschaltung des Ausgangsstroms (Disable-Pin DIS). Wird der Disable-Pin DIS mit der Referenzspannung VREF verbunden, wird der Ausgangsstrom bei eingangsseitiger Überspannung
nicht abgeschaltet. Wird der Disable-Pin nicht kontaktiert, ist die Stromabschaltung aktiviert
(Abbildung 4). Als weitere Sicherheitsvorkehrung verfügt der AM442 über eine integrierte
analog microelectronics
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STROM–WANDLER–IC
AM442
Übertemperaturabschaltung. Falls das IC sich zu sehr erwärmt, wird der Ausgangsstrom abgeschaltet.
2. Die einstellbare Referenzspannungsquelle (VSET = N.C. oder VSET = GND) steht für die Spannungsversorgung von Sensoren oder anderen externen Bauteilen zur Verfügung. Über einen externen Spannungsteiler kann darüber hinaus jeder beliebige Spannungswert zwischen 4,5 und
10V eingestellt werden. Wichtig: Die Kapazität C1 (Keramik) muß auch dann kontaktiert werden, wenn die Spannungsreferenz nicht benutzt wird.
3. Der zusätzliche Operationsverstärker kann als Strom–/Spannungsquelle für externe Bauteile
benutzt werden
Inbetriebnahme des AM442:
Für einen ersten Offset–Abgleich des Ausgangsstroms muß der Eingang kurzgeschlossen werden
(VIN = 0). Hierbei ist besonders darauf zu achten, daß sich die Eingangspins des Instrumentenverstärkers auf den in den Elektrischen Spezifikationen vorgeschriebenen Spannungspotientialen befinden (Eingangsspannungsbereich). Mit dem Kurzschluß am Eingang ergibt sich ein Ausgangsstrom
IOUT = ISET mit
I SET (VIN = 0) =
VREF
R4
⋅
2 R0 R3 + R4
Das Einstellen des Ausgangsstrombereichs hängt ab von der Wahl der externen Widerstände R1 und
R2. Der maximale Ausgangsstrom wird über die allgemeine Transferfunktion des ICs definiert. Für
den Ausgangsstrom IOUT ergibt sich:
I OUT = VIN
GIA
+ I SET
R0
Der Verstärkungsfaktor GIA = 1 + R1 R2 des Instrumentenverstärkers wird von der Eingangsspannung VIN und dem maximalen Ausgangsstrom IOUTmax bestimmt.
Die minimalen Versorgungsspannung hängt zum einen vom Wert der Referenzspannung ab. Es gilt:
VCC ≥ VREF + 1V .
Die Wahl der Versorgungsspannung VS hängt außerdem von dem jeweiligen Lastwiderstand RL der
Anwendung ab. Die folgende Ungleichung bestimmt die minimale Versorgungsspannung:
VS ≥ IOUTmax RL +VCCmin .
Der resultierende Betriebsbereich
ist in Abbildung 5 gezeigt. Beispielrechnungen und typische
Werte für die externen Bauteile
finden sich in den Anwendungsbeschreibungen ab Seite 8.
RL [Ω]
RL ≤
VCCmin = 6V
VS − VCCmin
IOUTmax
RLmax = 600Ω
IOUTmax = 20mA
600
300
Arbeitsbereich
0
0
6
12
18
24
35
VS [V]
Abbildung 5
analog microelectronics
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STROM–WANDLER–IC
AM442
PINOUT
PIN
RS+
1
16
DIS
VCC
2
15
VREF
RS−
3
14
GND
OUT
4
13
VSET
CVREF
5
12
GAIN+
CVSET
6
11
GAIN
SET
7
10
GAIN−
IN−
8
9
IN+
Abbildung 6
NAME
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
RS+
VCC
RS–
OUT
CVREF
CVSET
SET
IN–
IN+
GAIN–
GAIN
GAIN+
VSET
GND
VREF
DIS
BEDEUTUNG
Senswiderstand +
Versorgungsspannung
Senswiderstand –
Ausgang
Strom–/Spannungsreferenz
Einstellen Strom–/Spannungsreferenz
Einstellen des Ausgangsoffsetstroms
Negativer Eingang
Positiver Eingang
Einstellen der Verstärkung
Einstellen der Verstärkung
Einstellen der Verstärkung
Wahl der Referenzspannung
IC–Masse
Ausgang Referenzspannungsquelle
Einstellen Ausgangsstufe
LIEFERFORMEN
Der AM442 ist lieferbar als:
• 16-Pin-DIL
• SO16 (n) (Maximale Verlustleistung PD = 300mW)
• Dice auf 5“ Dehnfolie aufgespannt
GEHÄUSEABMESSUNGEN SO16 (n)
10,06 ± 0,1
4,0 + 0,2 - 0,1
1,45 ± 0,1
≤ 2,00
0,2 ± 0,05
0,2 ± 0,1
≤ 0,635
1,27
0,42 ± 0,07
≥ 0,3
0°-10°
6,2 ± 0,2
16
1
8
Abbildung 7
analog microelectronics
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STROM–WANDLER–IC
AM442
TYPISCHE DREIDRAHT–ANWENDUNG (0–20mA)
C1
5
13
RREF
15
AM442
VS
6
Spannungsreferenz
OP
RSET
VBG
1
V
9
R0
2
VIN
IA
3
8
I
14
10
11
12
7
4
T1
D1
16
R5
R2
R1
IOUT
RL
Ground
Abbildung 8
Im Dreidraht–Betrieb muß Pin 2 (VCC) mit Pin 1 (RS+) und die IC–Masse 14 (GND) mit Ground
verbunden werden. In der vorliegenden Anwendung (Abbildung 8) ist der Ausgang so eingestellt,
daß der Ausgangsstrom bei Überspannung am Eingang nicht abgeschaltet wird (DIS = VREF). Die
Verstärkung GIA wird über die externen Widerstände R1 und R2 eingestellt und ergibt sich zu
GIA = 1 + R1 R2 ⇒ R1 R2 = GIA − 1
In einer Anwendung 0–20mA wird der Strom ISET zu Null gesetzt (ISET = GND). Die Transferfunktion für den Ausgangsstrom IOUT lautet dann
I OUT = VIN G IA R0 + I SET = VIN G IA R0
Die Versorgungsspannung VS muß unter Berücksichtigung des Lastwiderstandes RL gewählt werden:
VS ≥ IOUTmax RL +6V
Die Meßbrücke wird von dem zusätzlichen OP mit Strom versorgt. Der Versorgungsstrom IS für die
Sensorbrücke kann über den Widerstand RSET bestimmt werden
V
I S = BG
RSET
Beispiel: Ausgangsstrombereich 0...20mA
Für die Werte der externen Bauteile ergeben sich mit VIN = 0K250 mV , VREF = 5V , GIA = 2 :
R0 = 25Ω
R1 = 22kΩ
R2 = 22kΩ
R5 = 40Ω
RL = 0...600Ω
C1 = 2,2µF
analog microelectronics
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STROM–WANDLER–IC
AM442
TYPISCHE ZWEIDRAHT–ANWENDUNG (4–20mA)
C1
5
13
15
AM442
VS
6
Spannungsreferenz
OP
C2
VBG
1
V
9
R0
2
VIN
IA
3
8
I
14
10
11
12
7
4
T1
D1
16
R5
R2
R1
R3
R4
IOUT
RL
Ground
Abbildung 9
Im Zweidraht–Betrieb muß Pin 2 (VCC) mit Pin 3 (RS–) und IC–Masse 14 (GND, ⊥) mit dem
Lastwiderstand RL verbunden werden. In der vorliegenden Anwendung (Abbildung 9) ist der Ausgang so eingestellt, daß der Ausgangsstrom bei Überspannung abgeschaltet wird (DIS nicht kontaktiert). Die Verstärkung GIA wird über die externen Widerstände R1 und R2 eingestellt und ergibt sich
zu
GIA = 1 + R1 R2 ⇒ R1 R2 = GIA − 1
Die Transferfunktion für den Ausgangsstrom IOUT lautet
I OUT = VIN GIA R0 + I SET
mit dem Strom ISET, der über die externen Widerstände R3 und R4 eingestellt wird.
I SET =
VREF
R4
⋅
2 R0 R3 + R4
⇒
R3
VREF
=
−1
R4 2 R0 I SET
Die Versorgungsspannung muß unter Berücksichtigung des Lastwiderstandes RL gewählt werden:
VS ≥ IOUTmax RL +6V
Beispiel: Ausgangsstrombereich 4...20mA
Für die Werte der externen Bauteile ergeben sich mit VIN = 0K200 mV , VREF = 5V , GIA = 2 :
R0 = 25Ω
R1 = 22kΩ
R2 = 22kΩ
R3 = 100kΩ
R4 = 0...5kΩ
R5 = 40Ω
RL = 0...500Ω
C1 = 2,2µF
C2 = 100nF
Analog Microelectronics behält sich Änderungen von Abmessungen, technischen Daten und sonstigen Angaben ohne vorherige Ankündigung vor.
analog microelectronics
August 2001
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