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 August 2001 2/9 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 August 2001 3/9 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 4/9 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 August 2001 5/9 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 August 2001 6/9 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 August 2001 7/9 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 August 2001 8/9 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 9/9