采用微功耗儀表放大器的可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，4-20 mA環(huán)路供電系統(tǒng)因其高可靠性、長距離傳輸能力以及同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù)的特性，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。近年來，隨著微功耗技術(shù)的不斷發(fā)展，基于微功耗儀表放大器的可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器逐漸嶄露頭角，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新。本文將詳細(xì)介紹這一技術(shù)的原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、應(yīng)用優(yōu)勢以及實(shí)際應(yīng)用案例。

技術(shù)原理與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

微功耗儀表放大器，如AD8420、AD627和AD8236等，是這類可配置發(fā)射器/接收器的核心組件。這些放大器不僅具備低功耗特性，還提供了靈活的輸入輸出能力，非常適合在要求低功耗和高精度的工業(yè)環(huán)境中使用。

AD8420：這款儀表放大器基于間接電流反饋架構(gòu)，具有軌到軌輸出電壓擺幅，完全與輸入共模電壓無關(guān)。AD8420可以輕松放大等于或略低于地電平的信號(hào)，無需雙電源供電，這在許多工業(yè)應(yīng)用中極為重要。此外，其增益可通過兩個(gè)外部電阻設(shè)置，范圍可達(dá)1至1000，為不同應(yīng)用場景提供了極大的靈活性。

AD627：作為另一款微功耗儀表放大器，AD627同樣具備出色的靈活性和低功耗特性。它采用單電源或雙電源(+2.2 V至±18 V)供電，最大功耗僅為85 μA。AD627的增益也可通過外部電阻靈活設(shè)置，范圍從5至1000，適用于各種需要高精度信號(hào)放大的場景。

AD8236：作為業(yè)界功耗最低的儀表放大器，AD8236的最大電源電流僅為40 μA，非常適合電池供電的應(yīng)用。其高輸入阻抗和低輸入偏置電流(1 pA)特性，使得它在醫(yī)療儀器、低端電流檢測和便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

基于這些微功耗儀表放大器的可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器，不僅具有低功耗特性，還具備高精度、低噪聲、高共模抑制比等優(yōu)點(diǎn)。這類設(shè)備可以靈活配置為發(fā)射器或接收器，以滿足不同的工業(yè)控制需求。

發(fā)射器配置

在發(fā)射器配置中，這類設(shè)備可以接受0 V至5 V或0 V至10 V的輸入電壓，通過內(nèi)部的精密電路將其轉(zhuǎn)換為4-20 mA的電流輸出。例如，在AD8420的應(yīng)用中，輸入電壓首先通過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為適合AD8420處理的差分電壓信號(hào)(±1 V以內(nèi))。隨后，AD8420的間接電流反饋架構(gòu)將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流輸出，該電流通過檢測電阻(如50 Ω)轉(zhuǎn)化為4-20 mA的環(huán)路電流。整個(gè)過程中，電路的功耗極低，僅為1 mA左右，非常適合環(huán)路供電應(yīng)用。

接收器配置

在接收器配置中，這類設(shè)備可以將4-20 mA的電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓范圍可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整至0.2 V至2.3 V或0.2 V至4.8 V，與采用2.5 V或5 V基準(zhǔn)電壓源的ADC兼容。AD8420等儀表放大器的高阻抗基準(zhǔn)電壓源引腳，無需通過額外的運(yùn)算放大器來驅(qū)動(dòng)，從而降低了接收器電路的功耗、成本和空間要求。通過調(diào)整增益電阻，可以確保輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。

應(yīng)用優(yōu)勢

低功耗：微功耗儀表放大器的應(yīng)用使得整個(gè)發(fā)射器/接收器系統(tǒng)的功耗極低，特別適合電池供電和環(huán)路供電的應(yīng)用場景。

高精度：通過精密的電路設(shè)計(jì)和高精度的電阻網(wǎng)絡(luò)，這類設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)無調(diào)整總誤差小于1%的高精度性能。

靈活性：可配置的發(fā)射器/接收器設(shè)計(jì)，使得單個(gè)硬件設(shè)計(jì)可以同時(shí)滿足發(fā)射器和接收器的需求，降低了客戶的庫存要求。

寬電源范圍：支持多種電源電壓范圍，如AD8420的電源電壓范圍為12 V至36 V(發(fā)射器)和7 V至36 V(接收器)，為不同應(yīng)用場景提供了更多選擇。

高共模抑制比：微功耗儀表放大器通常具備高共模抑制比，能夠有效抑制共模干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

實(shí)際應(yīng)用案例

在工業(yè)過程控制中，這類可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器被廣泛應(yīng)用于壓力測量、溫度控制、流量監(jiān)測等場合。例如，在壓力測量系統(tǒng)中，傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化，通過橋式電路和儀表放大器處理后，輸出4-20 mA電流信號(hào)至控制系統(tǒng)。在溫度控制系統(tǒng)中，溫度傳感器(如RTD或熱電偶)將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，同樣經(jīng)過精密的儀表放大器處理后，以4-20 mA的形式傳輸至中央控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

未來展望

隨著微功耗技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，基于微功耗儀表放大器的可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來，這些設(shè)備將更加注重智能化、集成化和模塊化設(shè)計(jì)，以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域日益增長的需求。同時(shí)，隨著無線傳輸技術(shù)的成熟和普及，無線版本的4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器也將逐漸進(jìn)入市場，為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來更多的便利和可能性。

綜上所述，采用微功耗儀表放大器的可配置4-20 mA環(huán)路供電發(fā)射器/接收器憑借其低功耗、高精度、靈活性和可靠性等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的市場前景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和市場的不斷擴(kuò)大，我們有理由相信這類設(shè)備將在未來的工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮更加重要的作用。