4-20mA電流源的電流判定

相信大家對(duì)4~20mA的電流源并不陌生，有人告訴我他有一個(gè)4~20mA的電流源。他想判斷電流是否超出范圍，或者電線是否已斷掉!但是沒有人知道該如何檢測(cè)這一點(diǎn)。如果你想接受一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)的話，只需要告訴我，這是一個(gè)模擬功能，而且沒人知道該如何來進(jìn)行檢測(cè)。因此我開始設(shè)想，如何才能判斷4.0mA電流是否下降到了3.70mA或更低呢?要是我們能夠斷定這一點(diǎn)該多好，那樣就能夠說明這是一個(gè)非法的狀態(tài)。

我決定采用Bob Widlar的新型LM10，該器件整合了一個(gè)電壓基準(zhǔn)和一個(gè)功率放大器。當(dāng)然我會(huì)構(gòu)建一個(gè)有效的電路，在電流過小的時(shí)候檢測(cè)和發(fā)送錯(cuò)誤信息。后來我經(jīng)過繪制電路圖和反復(fù)修改，構(gòu)建了一個(gè)有用的電路?？蛻粢舱J(rèn)為這個(gè)電路有用。由于我們知道，有一本儀器和工業(yè)雜志的讀者經(jīng)常使用“4~20mA”器件，因此我還將這個(gè)電路作為一種“設(shè)計(jì)思路”向該雜志投了稿。因此這本雜志發(fā)表了這個(gè)電路。大約三個(gè)月后，我們收到了一封令人愉快的來信，讀者對(duì)這個(gè)小電路展現(xiàn)出了這份雜志從未經(jīng)歷過的前所未有的興趣。嗯，我猜是這樣。

現(xiàn)在，LM10仍在生產(chǎn)和銷售，不過價(jià)格卻高達(dá)2.30美元，比起這樣一種簡(jiǎn)單功能的實(shí)際價(jià)值，這個(gè)價(jià)格顯然有點(diǎn)高。當(dāng)我們拿到價(jià)格比較便宜(批量單價(jià)為37美分)的LM4041-ADJ時(shí)，我在想，“這個(gè)器件應(yīng)該也能做到這一點(diǎn)”。 LM4041-ADJ具有一個(gè)小增益級(jí)和一個(gè)1.2V的電壓參考，因此它可以實(shí)現(xiàn)這些功能(請(qǐng)參見圖)。

主要規(guī)格

4N28的增益相當(dāng)普通(0.1至0.3)，但是它能夠產(chǎn)生一個(gè)在下降到接近于“地電位”時(shí)能被檢出的小標(biāo)志。LM4041-ADJ可以通過332Ω電阻檢測(cè)出4.0mA的電流，然后導(dǎo)通4N28。如果該電流降至3.7mA以下，LM4041就會(huì)關(guān)斷光耦。即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路也可以實(shí)現(xiàn)非常有用的功能。你沒有必要去找一本30年的雜志。

如果你想檢查這個(gè)電路開關(guān)和檢測(cè)的實(shí)際電平，你可能要將一個(gè)小三角波測(cè)試儀放在高于和低于3.7mA的已校準(zhǔn)電流中。如果輸出占空比正好是50%，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)閾值是正確的。如果想獲得優(yōu)于2%的精度，可以進(jìn)行微調(diào)。

我曾經(jīng)在Teledyne公司工作過，如果你懂希臘語，你會(huì)發(fā)現(xiàn)Teledyne的意思是“距離和力”。 甚至在與高于或低于地電勢(shì)幾百伏的電壓相隔離的情況下，這個(gè)電路也可以產(chǎn)生一個(gè)較小的力。沒有電的連接。因此隔離并不會(huì)造成精度低或者費(fèi)用高。

什么時(shí)候需要測(cè)試長(zhǎng)期穩(wěn)定性?

幾年以前，有一個(gè)朋友打電話問我有關(guān)一款新型NSC放大器的問題：“您有關(guān)于這款運(yùn)算放大器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)嗎?”我甚至沒有查看資料就告訴他，我們確實(shí)沒有這方面的數(shù)據(jù)。這只是一款相當(dāng)新的普通的運(yùn)算放大器，并沒有想要成為低偏置或低漂移領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者。因此，不是我們吹牛，這種器件沒有任何風(fēng)險(xiǎn)。不過客戶卻并不滿意。

“為什么你們沒有關(guān)于這方面的完整信息呢?”我試著解釋道，我們沒有余力收集每種小產(chǎn)品的這類數(shù)據(jù)，沒有余力收集和分析數(shù)據(jù)，也承受不起為此而延誤產(chǎn)品上市的責(zé)任。即使我們馬上發(fā)布這些數(shù)據(jù)，然后再更新數(shù)據(jù)手冊(cè)，用戶如果看了最初的數(shù)據(jù)手冊(cè)還是會(huì)問這個(gè)同樣的問題。

進(jìn)行正確的研究所需要的人力、工程量和技術(shù)人員工作量將非常大。很少有客戶有如此迫切的要求，值得我們?nèi)ナ占@樣的數(shù)據(jù)。一般情況下，如果我們采用這種工藝在以前的電路上獲得了比較好的數(shù)據(jù)，那么變化就相當(dāng)小，例如布線或電流大小的微小變化，或者輸出級(jí)的變化，這里，我們假設(shè)新器件將與舊器件非常相似。

現(xiàn)在，我們進(jìn)行一項(xiàng)小的漂移測(cè)試，目的只是為了確保不會(huì)出什么問題。例如，我們將加載三塊電路板，每塊板有30個(gè)器件，目的是看看電路板是否達(dá)到預(yù)期的性能。我們將比較高溫工作前后1000小時(shí)的數(shù)據(jù)。我們可以將其中一塊電路板放到烤箱中，然后收集2000小時(shí)的數(shù)據(jù)。但是這種測(cè)試一般都是一個(gè)無聊的過場(chǎng)。當(dāng)我們做完所有的操作后，也沒有什么值得夸耀的。除了“合格”之外，沒有什么可以寫到報(bào)告中的。

打電話詢問的客人仍然不滿意?！昂玫模敲次視?huì)仔細(xì)查一下，問問你們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手他們的長(zhǎng)期漂移是多少，”他說道。這樣我就回復(fù)，“請(qǐng)便”，然后開始告訴他我們的一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的電話號(hào)碼。不過我后來停頓了一下，告訴他：“但他們將會(huì)告訴你同樣的故事。他們也沒有余力對(duì)推出的每一個(gè)良好的電路進(jìn)行精確的壽命測(cè)試?！?

我們?cè)谑裁辞闆r下需要進(jìn)行大量的測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄呢?當(dāng)我們采用一種新工藝或者新電路，并且這種工藝或電路有望提供優(yōu)越的性能時(shí)。新型低漂移運(yùn)算放大器?當(dāng)然。當(dāng)幾年前國(guó)家半導(dǎo)體推出新型斬波穩(wěn)定放大器時(shí)，我們進(jìn)行了所有類型的壽命測(cè)試，以確保不會(huì)出現(xiàn)任何不穩(wěn)定的產(chǎn)品。在不存在任何不穩(wěn)定的放大器的情況下，一個(gè)好放大器的標(biāo)準(zhǔn)又是怎樣的呢?我們進(jìn)行了大量挑剔的測(cè)試來分析足夠多的數(shù)據(jù)，從而確定了“0.006μV/月”的典型漂移率(例如LMP2012)。

一年或者兩年內(nèi)你期望看到的漂移是多少?根據(jù)我們的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則是“如果時(shí)間為N ×1000小時(shí)，我們預(yù)期的漂移為n = √N(yùn)。”這往往會(huì)讓客戶高興，也會(huì)讓他們沒什么可說的了。因?yàn)椋?、這個(gè)規(guī)則往往是事實(shí)，或者接近事實(shí);2、如果客戶想獲得數(shù)據(jù)，這對(duì)于他來說工作量將相當(dāng)大!這樣，他往往不會(huì)很快就再提出問題。例如，如果時(shí)間為兩年(即16,000小時(shí))的話，漂移可以用√16 = 4來估計(jì)。

LM199AH電壓參考

當(dāng)38年前發(fā)布新型LM199AH時(shí)，該器件是采用新工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)新電路，旨在消除引起長(zhǎng)期漂移的所有可能的原因。其輸出容差為±3%，但每1000小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值為0.0020%，即20ppm。我們進(jìn)行了大量的初步測(cè)試，以篩選出不穩(wěn)定的器件，然后放進(jìn)比較電路中，這樣我們就可以使用一個(gè)出色的六位數(shù)字電壓表(DVM)來比較多個(gè)電壓參考源(比如溫控標(biāo)準(zhǔn)電池、溫控帶隙電壓參考和其它多個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的齊納二極管)。

通過采用多個(gè)電壓參考，我們可以避免所有被測(cè)器件(DUT)看起來像在相同的時(shí)間產(chǎn)生漂移的情況。這種問題是由于所有待測(cè)器件發(fā)生漂移引起的嗎?不，因?yàn)槠渌妷簠⒖荚谙嗤臅r(shí)間表現(xiàn)出了同樣的衰退，這意味著問題在于數(shù)字電壓表的電壓參考。這種影響可以“去掉”，至少可以忽略不計(jì)。有一天我心血來潮，拿出一堆LM199AH，并將它們以四個(gè)為一組焊接在一起，用小電阻(499Ω)取其輸出的平均值。該輸出好像噪聲更小，漂移更低。于是我們?cè)僮鲆淮螠y(cè)試。很快我找到了四組四個(gè)為一組的LM199AH。

我把八個(gè)LM199的平均輸出與另外八個(gè)LM199的平均輸出進(jìn)行了比較，結(jié)果確實(shí)很好!有些測(cè)試顯示有限帶寬(4Hz)下的噪聲不到2μVpp。如果我取16個(gè)LM199的平均輸出，輸出噪聲可能會(huì)更小!大多數(shù)用戶都不需要這么低的噪聲，但是通過對(duì)幾個(gè)電路進(jìn)行平均，就可以使噪聲成平方根下降，直到你用完力氣、空間和電源為止。以上就是4~20mA的電流源的電流范圍的判定方法。