摘要：首先介紹了XTR系列集成電流變送器的產(chǎn)品分類及主要特點，然后闡述了XTR115的工作原理，介紹了XTR115及XTR101的典型應(yīng)用。

　　引言

　　集成電流變送器亦稱電流環(huán)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓/電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號（典型產(chǎn)品有1B21,1B22,AD693,AD694,XTR101,XTR106和XTR115）；另一種屬于電流/電壓轉(zhuǎn)換器，也叫電流環(huán)接收器（典型產(chǎn)品為RCV420）。上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。

　　XTR系列是美國BB（BURR-BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器，該公司現(xiàn)已并入TI公司。該系列產(chǎn)品包括XTR101,XTR105,XTR106,XTR110,XTR115和XTR116共6種型號。其特點是能完成電壓/電流（或電流/電流）轉(zhuǎn)換，適配各種傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等。

　　1 XTR系列產(chǎn)品的分類及性能特點

　　XTR系列精密電流變送器產(chǎn)品的分類及主要特點詳見表1.

表1 XTR系列產(chǎn)品的分類及主要特點。

　　2 XTR115型電流變送器的工作原理

　　2.1 性能特點

　　1）它屬于二線制電流變送器，內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵源。

　　XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40~200μA弱電流信號放大100倍，獲得4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)環(huán)路電流接近32mA時能自動限流。如果在腳3與腳5之間并聯(lián)一只電阻，就可以改變限流值。

　　2）芯片中增加了+5V精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓為±0.05%,電壓溫度系數(shù)僅為20×10-6/℃，可給外部電路（例如前置放大器）單獨供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計。

　　3）高，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換可達±0.05%,非線性誤差僅為±0.003%.

　　4）環(huán)路電源電壓的允許范圍寬，Us=7.5~36V.XTR115由環(huán)路電源供電。

　　工作溫度范圍是-40℃~+85℃。

　　5）專門設(shè)計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗。

　　2.2 工作原理

圖1 XTR115的內(nèi)部電路框圖及基本應(yīng)用電路。

　　XTR115采用SO-8小型化封裝，其內(nèi)部電路框圖及基本應(yīng)用電路如圖1所示。

　　U+為電源端，接環(huán)路電源。UREF為2.5V基準(zhǔn)電壓輸出端。II端接輸入電流。IRET為基準(zhǔn)電壓源輸出電流和穩(wěn)壓器輸出電流的返回端，可作為輸入電路的公共地。

　　OUT為4~20mA電流輸出端。UREG為+5V穩(wěn)壓器的輸出端。B和E端為外部功率管的接口，分別接功率管的基極（B）和發(fā)射極（E）。功率管的集電極（C）接U+端。芯片內(nèi)部主要包括輸入放大器（A），電阻網(wǎng)絡(luò)，輸出晶體管（VT1），2.5V基準(zhǔn)電壓源和+5V穩(wěn)壓器。RLIM為內(nèi)部限流電阻。外圍元器件主要有輸入電阻（RI），功率管（VT2），環(huán)路電源（Us）和負載電阻（RL）。輸入電壓UI先經(jīng)過RI轉(zhuǎn)換成輸入電流II,再經(jīng)過XTR115放大后從OUT端輸出4~20mA的電流信號。為減小失調(diào)電壓以及輸入放大器的漂移量，要求UI>0.5V.輸出電流與輸入電流、輸入電壓的關(guān)系由式（1）確定。

　　3 XTR系列產(chǎn)品的應(yīng)用電路

　　3.1 應(yīng)變橋電流變送器

　　由XTR115構(gòu)成應(yīng)變橋電流變送器的電路如圖2所示。將腳3視為公共地，由腳1給應(yīng)變橋提供+2.5V的電源電壓。前置放大器采用TL061型單運放（亦可采用OPA2277型雙運放，僅用其中的一個運放），由+5V穩(wěn)壓器單獨給運放供電。

　　RI為20kΩ輸入電阻，C為降噪電容，VT為外部NPN功率管，可選2N4922,TIP29C或TIP31B等型號。以2N4922為例，其主要參數(shù)為UCEO=60V,ICM=1A,PCM=30W.

　　該電路的工作原理是當(dāng)試件受力時，應(yīng)變橋輸出的電壓信號首先經(jīng)過前置放大器放大成0.8~4V的輸入電壓UI,再通過RI轉(zhuǎn)換成40~200μA的輸入電流II,經(jīng)XTR115放大100倍后獲得4~20mA的電流。

圖2 應(yīng)變橋電流變送器的電路。

　　需要指出，XTR115只能配NPN功率管，不能配MOS場效應(yīng)功率管。外部功率管應(yīng)滿足XTR115對電壓、電流的要求，使用中還須給功率管裝上合適的散熱器。

　　3.2 保護電路的設(shè)計

圖3 XTR115的保護電路。

　　保護電路應(yīng)兼有反向電壓保護與正向過壓保護兩種功能。XTR115的保護電路如圖3所示。反向電壓保護電路由二極管整流橋VD1~VD4組成，可防止因?qū)h(huán)路電源的極性接反而損壞芯片。整流二極管可選用1N4148型高速硅開關(guān)二極管，其主要參數(shù)為URM=75V,Id=150mA,trr=4ns.采用橋式保護電路之后就不用再考慮環(huán)路電源的極性，因為，無論Us的極性是否接反，它總能保證U+端接得是正電壓。鑒于在任何時刻整流橋上總有兩只二極管導(dǎo)通，因此，在計算環(huán)路電壓ULOOP時須扣除兩只硅二極管的正向壓降（約為1.4V），由式（2）確定。

　　過壓保護電路采用一只1N4753A型穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓為36V,穩(wěn)定電流為7.0mA.當(dāng)環(huán)路電壓過高時就被鉗位到36V.實驗證明，即使環(huán)路電壓達到65V,XTR115也不會損壞。為了改善瞬態(tài)過壓保護特性，還可采用Motorola公司生產(chǎn)的P6KE39A型瞬態(tài)電壓抑制器（其英文縮寫為TVS,亦稱瞬變電壓抑制二極管）來代替穩(wěn)壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V,鉗位時間僅為1ns,其性能遠優(yōu)于齊納穩(wěn)壓管。

　　3.3 配J型熱電偶的電流變送器電路

　　由XTR101構(gòu)成帶冷端溫度補償功能的J型熱電偶輸入電路，如圖4所示。該電路可將溫度信號轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號。Rs為滿量程（SPAN）設(shè)定電阻，其電阻值由式（3）確定。

　　例如，當(dāng)UI=100mV時，由式（3）不難算出，Rs=278Ω。Rs的引線應(yīng)盡量短，以減小干擾。當(dāng)Rs=∝時，UImax=1V.Rp為調(diào)零電位器，在0℃下調(diào)整Rp可使Io=4mA.冷端溫度補償電路由二極管VD1,分壓電阻R1和R2組成，R1及R2均采用精密金屬膜電阻。

　　J型熱電偶在-200℃~+750℃測溫范圍內(nèi)的平均溫度系數(shù)αT=+51.70μV/℃。硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)αD≈-2.1mV/℃，經(jīng)過R1和R2分壓后αD′=αD·[R1/（R1+R2）]=-2.1×[51/（2×10 3+51）]=-52μV/℃≈-αT因為αD′與αT的大小相等而方向相反，二者又分別接到XTR101的負輸入端和正輸入端上，所以在室溫下二者能互相抵消，從而實現(xiàn)了冷端溫度（即環(huán)境溫度）補償，使溫差熱電勢僅僅與被測溫度有關(guān)（e=αTT），不受環(huán)境溫度變化的影響。XTR101能輸出兩路1mA激勵電流，分別接J型熱電偶和電阻分壓器。反向電壓保護電路由VD2組成，當(dāng)Us接反時VD2截止，電源不通。正常工作時VD2導(dǎo)通，環(huán)路電壓ULOOP=Us-IORL-0.7V.