XTR115电流环电路原理研究

针对各种数据采集与监控中抗恶劣电磁干扰环境的需求，给出一种基于XTR115 的低功耗两线4～20 mA 电流环数据传输电路，实际测量结果表明基于XTR115 的电流环电路具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。

　　在各种数据采集与监控中通常用一个仪表放大器来完成信号的调理，但是工业现场进行长线传输时，往往会产生以下问题：1）由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；2）传输线的分布电阻会产生电压降；3）现场无法提供仪表放大器的工作电压。

　　为了解决上述问题并避开相关噪声的影响，通常用电流来传输信号，这是因为电流对噪声并不敏感。4～20 mA 的电流环便是用4 mA 表示零信号， 用20 mA 表示信号的满刻度，而将低于4 mA 和高于20 mA 的信号用作各种故障的报警。

　　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4～20 mA 的电流信号（典型产品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115 和XTR116）； 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。
　　电流环电路，根据器件位置的不同又可划分成以下两种类型：两线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件（如阀门等）时，一般采用三线制变送器，这里，电流环器件位于监控的系统端， 由系统直接向电流环器件供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。两线系统是电流环器件和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20 mA 的电流环向远端的电流环器件供电，通过4～20 mA 来反映信号的大小。

　　XTR 系列是美国BB（BURR-BROWN）公司生产的精密电流变送器，该公司现已并入美国Texas Instruments 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。其中，XTR115 和XTR116 能够满足工业测量标准的两线4～20 mA 电流环电路， 该电路设计巧妙、使用方便、超低静态电流，非常适合于变送器等典型工业测量应用之中。

　　本文针对两线的XTR115 电流环电路的工作原理和典型应用展开详细讨论，可为4～20 mA 电流环电路的使用提供有益参考。

　　1 XTR115 的性能特点

　　XTR115 具有如下性能特点：

　　1）XTR115 属于二线制电流变送器，内部的2.5 V 基准电压可作为传感器的激励源。XTR115 可将传感器产生的40～200 μA 弱电流信号放大100 倍，获得4～20 mA 的标准输出。

　　当环路电流接近32 mA 时能自动限流。如果在3 脚与5 脚之间并联一只电阻，就可以改变限流值。

　　2） 芯片中增加了＋5 V 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为7.5～36 V。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 XTR115 的工作原理

　　XTR115 和XTR116用SO-8 小型化封装，其结构组成及原理图如图1 所示，XTR115 和XTR116 内部电路主要由3部分组成。

　　第一部分是电流环电路的核心部分，它是由内部的运算放器A1、电阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶体三极管T1 组成。

　　第二部分是电源调整电路，它提供传感器部分的外围电路工作电源和参考电压。第三部分是由电阻Ra、Rb、Rlim和晶体三极管T0 组成保护电路， 以防止输出电流过大或上电过程中的过冲脉冲损坏芯片。为了叙述方便，摘出电流环电路部分如图2 所示。

　图2 电路中， 信号电压施加在VIN和VG之间，VG相当于传感器部分的参考点。根据运算放大器的基本原理，运算放大器的两个输入端电压基本相等，流入运算放大器输入端的电流基本为零。可知：

I3=I2；VA=VB=VG；VR1=VR2；

　　所以： I1R2=I2R1；

　　即：I1=I2R1 /R2；

　　故：I0=I1+I2=I2（R1 /R2+1）=I3（R1 /R2+1）=100I3=100VI N/RI N；

此时的I0只是信号变化部分的电流， 它的变化范围是0～16 mA，对应到I3是0~160 μA， 可以根据这一电流和输入信号的电压幅度决定输入电阻RIN；要实现4~20 mA 电流环，还必须加入4 mA 的偏置电流IB （这个偏置电流包括芯片的工作电流和传感器部