4mA至20mA压力传感器变送器，集成电压或电流驱动

　　一、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。

　　该电路针对各种桥式电压或电流驱动型压力传感器而优化，仅使用了5个有源器件，总不可调整误差低于1%。电源范围为7 V至36 V，具体取决于元件和传感器驱动器配置。

　　该电路的输入具有ESD保护功能，并且可提供高于供电轨的电压保护，是工业应用的理想选择。

　　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）

　　二、电路描述

　　该设计提供完整的4 mA至20 mA发送器压力传感器测量解决方案。有三个重要的电路级：传感器激励驱动、传感器输出放大器和电压-电流转换器。

　　电路所需总电流（不计电桥驱动电流和输出电流）为5.23 mA （最大值），如表1所示。

　　激励：电压驱动配置

　　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显示电压驱动配置，S1位置最靠近识别标志（参见CN0295设计支持包中的完整电路布局和原理图： http://www.analog.com/CN0295-DesignSupport。电压驱动通常采用该级的增益（1 + R5/R6）配置为6 V电桥驱动电压。其他驱动电压可通过适当改变电阻比获得：

　　请注意，电源电压VCC应至少比电桥驱动电压高0.2 V，以便让U2A具有足够的裕量。 ADA4091-4：

　　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特性。

　　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。

　　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）

　　激励：电流驱动配置

　　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。

　　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。

　　通过下式可计算驱动电压VDRIVE：

　　VCC电源需要0.2 V裕量，因此：：

　　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）

　　电桥输出仪表放大器和失调电路

　　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1.98 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 = 16时58 μV，B级；G = 16时112 μV， 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：

　　其中，G = 16、R3 = 3.2933 kΩ。为R3选择最接近的标准0.05% 值（3.28 kΩ），得到增益G = 16.06，总增益误差为+0.4%。

　　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 ADR025 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 ADR025 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。

　　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。

最小VCC电源电压同样取决于电桥的驱动电