集成化精密电流变送器的原理与应用

　　引言

　　集成电流变送器亦称电流环电路，根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压/电流转换器，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4～20mA的电流信号(典型产品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR101，XTR106和XTR115);另一种属于电流/电压转换器，也叫电流环接收器(典型产品为RCV420)。上述产品可满足不同用户的需要。

　　XTR系列是美国BB(BURR-BROWN)公司生产的精密电流变送器，该公司现已并入TI公司。该系列产品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116共6种型号。其特点是能完成电压/电流(或电流/电流)转换，适配各种传感器构成测试系统、工业过程控制系统、电子秤重仪等。

　　1 XTR系列产品的分类及性能特点

　　XTR系列精密电流变送器产品的分类及主要特点详见表1。

　　表1 XTR系列产品的分类及主要特点

　　2 XTR115型电流变送器的工作原理

　　2.1 性能特点

　　1)它属于二线制电流变送器，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源。XTR115可将传感器产生的40～200μA弱电流信号放大100倍，获得4～20mA的标准输出。当环路电流接近32mA时能自动限流。如果在脚3与脚5之间并联一只电阻，就可以改变限流值。

　　2)芯片中增加了+5V精密稳压器，其输出电压精度为±0.05%，电压温度系数仅为20×10-6/℃，可给外部电路(例如前置放大器)单独供电，从而简化了外部电源的设计。

　　3)精度高，非线性误差小。转换精度可达±0.05%，非线性误差仅为±0.003%。

　　4)环路电源电压的允许范围宽，Us=7.5～36V。XTR115由环路电源供电。工作温度范围是-40℃～+85℃。

　　5)专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。

　　2.2 工作原理

　　XTR115采用SO-8小型化封装，其内部电路框图及基本应用电路如图1所示。U+为电源端，接环路电源。UREF为2.5V基准电压输出端。II端接输入电流。IRET为基准电压源输出电流和稳压器输出电流的返回端，可作为输入电路的公共地。OUT为4～20mA电流输出端。UREG为+5V稳压器的输出端。B和E端为外部功率管的接口，分别接功率管的基极(B)和发射极(E)。功率管的集电极(C)接U+端。芯片内部主要包括输入放大器(A)，电阻网络，输出晶体管(VT1)，2.5V基准电压源和+5V稳压器。RLIM为内部限流电阻。外围元器件主要有输入电阻(RI)，功率管(VT2)，环路电源(Us)和负载电阻(RL)。输入电压UI先经过RI转换成输入电流II，再经过XTR115放大后从OUT端输出4～20mA的电流信号。为减小失调电压以及输入放大器的漂移量，要求UI>0.5V。输出电流与输入电流、输入电压的关系由式(1)确定。