AD694：4 - 20 mA 電流變送器的卓越之選

在工業(yè)過程控制、工廠自動(dòng)化和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，精確可靠的信號(hào)傳輸至關(guān)重要。AD694 作為一款高性能的單片電流變送器，為這些應(yīng)用提供了理想的解決方案。今天，我們就來深入了解一下 AD694 的特性、工作原理、設(shè)計(jì)指南以及應(yīng)用實(shí)例。

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一、AD694 特性概覽

AD694 具有眾多令人矚目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出：

1. 輸出范圍靈活：支持 4 - 20 mA 和 0 - 20 mA 兩種輸出范圍，可根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。
2. 預(yù)校準(zhǔn)輸入范圍：提供 0 V 至 2 V 和 0 V 至 10 V 的預(yù)校準(zhǔn)輸入范圍，通過簡(jiǎn)單的引腳連接即可選擇，還可使用外部電阻編程其他范圍。
3. 精密電壓基準(zhǔn)：可編程為 2.000 V 或 10.000 V，滿足不同系統(tǒng)對(duì)電壓基準(zhǔn)的要求。
4. 寬電源范圍：支持 4.5 V 至 36 V 的單電源或雙電源供電，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
5. 高輸出合規(guī)性：獨(dú)特的輸出級(jí)設(shè)計(jì)，使其輸出電壓在單電源和雙電源操作中都具有良好的合規(guī)性，能驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。
6. 低非線性度：典型非線性度僅為 0.002%，確保輸出信號(hào)的高精度。

二、工作原理剖析

為了更好地理解 AD694 的工作原理，我們可以將其電路分為三個(gè)功能部分：

1. 緩沖放大器

緩沖放大器是一個(gè)單電源放大器，可作為單位增益緩沖器、電流輸出 DAC 的輸出放大器或增益塊來放大低電平信號(hào)。其 PNP 輸入級(jí)的共模范圍從地以下幾百 mV 延伸到 (V{S}) 以下 2.5 V。放大器的 A 類輸出出現(xiàn)在引腳 1（FB），輸出范圍從略高于地的 1 mV 到 (V{S}) 以下 2.5 V。

2. 電壓 - 電流（V/I）轉(zhuǎn)換器

來自緩沖放大器的接地參考輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換為 0 至 0.8 mA 的電流，并通過電流鏡將信號(hào)乘以 20 倍，得到 0 至 16 mA 的信號(hào)電流。V/I 轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)獨(dú)特，允許 (I_{OUT}) 引腳驅(qū)動(dòng)負(fù)載低于器件的公共（基板）電位。

3. 4 mA 偏移發(fā)生器

該電路將來自電壓基準(zhǔn)的恒定電壓轉(zhuǎn)換為約 200 μA 的恒定電流，并與信號(hào)電流在引腳 14（BW 調(diào)整）處相加，從而在 (I_{OUT}) 處產(chǎn)生 4 mA 的恒定偏移電流。通過引腳 6（4 mA 調(diào)整）可將偏移電流調(diào)整到 2 mA 至 4.8 mA 范圍內(nèi)的任何值，引腳 9（4 mA 開/關(guān)）可完全關(guān)閉偏移電流，實(shí)現(xiàn) 0 - 20 mA 的操作。

三、設(shè)計(jì)指南與注意事項(xiàng)

1. 基本連接

在設(shè)計(jì)中，建議在所有應(yīng)用中從 (V_{S})（引腳 13）到 Com（引腳 5）添加一個(gè) 0.1 μF 的去耦電容，以減少電源噪聲的影響。如果輸出負(fù)載是非電阻性的，可能需要額外的組件來確保穩(wěn)定性。

2. 驅(qū)動(dòng)非電阻性負(fù)載

當(dāng)驅(qū)動(dòng)非電阻性負(fù)載時(shí)，為了確保 AD694 的穩(wěn)定性，可從 (I_{OUT})（引腳 11）到 Com（引腳 5）添加一個(gè) 0.01 μF 的電容。對(duì)于電感負(fù)載，還應(yīng)添加兩個(gè)保護(hù)二極管 D1 和 D2，以防止電壓尖峰損壞器件。

3. 0 - 20 mA 操作

通過將引腳 9（4 mA 開/關(guān)）連接到 3 V 或更高的電位，可以關(guān)閉 4 mA 偏移電流，實(shí)現(xiàn) 0 - 20 mA 的輸出范圍。此時(shí)，輸入范圍會(huì)增加 20%，最小電源電壓也會(huì)相應(yīng)提高。

4. 雙電源操作

AD694 可以在雙電源模式下工作，其輸出級(jí)的獨(dú)特設(shè)計(jì)允許 (I_{OUT}) 引腳延伸到低于公共電位的負(fù)電源。這種特性可以簡(jiǎn)化與雙電源 DAC 的接口，消除接地和電平轉(zhuǎn)換問題，同時(shí)增加變送器能夠驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。

5. 功率耗散考慮

雖然 AD694 在不使用外部通晶體管的情況下可以在指定溫度范圍內(nèi)工作，但在某些電源電壓和電壓基準(zhǔn)負(fù)載的組合下，可能會(huì)超過絕對(duì)最大功耗。因此，需要計(jì)算器件的總功耗，以確保結(jié)溫不超過 150°C。

四、調(diào)整與編程方法

1. 4 mA 零調(diào)整

通過拉動(dòng)引腳 6（4 mA 調(diào)整）可以調(diào)整 4 mA 零電流，調(diào)整范圍為 2 mA 至 4.8 mA。為了實(shí)現(xiàn)線性調(diào)整，可以使用特定的電阻網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)所需的調(diào)整范圍計(jì)算電阻值。

2. 量程調(diào)整

對(duì)于 10 V 滿量程輸入，可以使用特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量程調(diào)整；對(duì)于 2 V 滿量程輸入，則需要采用不同的調(diào)整方案。此外，還可以通過編程緩沖放大器的增益或調(diào)整 V/I 轉(zhuǎn)換器的跨導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)其他量程的編程。

3. 參考輸出調(diào)整

可以通過添加外部電阻對(duì) 10 V 參考輸出進(jìn)行小幅度調(diào)整，也可以通過并聯(lián)電阻來編程其他參考電壓。

4. 帶寬控制

通過在 BW ADJ（引腳 14）和 (V_{S})（引腳 13）之間連接外部電容，可以限制 AD694 的帶寬，實(shí)現(xiàn)噪聲濾波。但這種方法不適合過濾輸入信號(hào)中的大高頻瞬變，建議使用輸入濾波器消除高于緩沖放大器帶寬的頻率。

五、應(yīng)用實(shí)例分享

1. 數(shù)字到 4 - 20 mA 接口

AD694 可以輕松與電流輸出 DAC 接口，構(gòu)建數(shù)字到 4 - 20 mA 的接口電路。例如，使用 AD694 的 10 V 參考為 AD565A 提供參考輸入，通過緩沖放大器將滿量程電流轉(zhuǎn)換為 +10 V。

2. 單電源數(shù)字到 4 - 20 mA 接口

可以構(gòu)建一個(gè)在單 15 V 電源下工作的 12 位輸入到 4 - 20 mA 輸出的接口。通過將 DAC 工作在電壓切換模式，結(jié)合 AD694 的電壓參考和輸入級(jí)，實(shí)現(xiàn) 4 - 20 mA 的輸出。

3. 低成本傳感器變送器

利用 AD694、雙運(yùn)算放大器和一些電阻，可以構(gòu)建一個(gè)低成本的傳感器變送器。該電路可以將傳感器的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4 - 20 mA 的輸出電流，適用于各種傳感器應(yīng)用。

六、總結(jié)

AD694 以其豐富的特性、靈活的設(shè)計(jì)和廣泛的應(yīng)用范圍，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸入輸出范圍、調(diào)整參數(shù)，并注意功率耗散和穩(wěn)定性等問題。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地理解和應(yīng)用 AD694，在電子設(shè)計(jì)中取得更好的成果。你在使用 AD694 或類似產(chǎn)品時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。