[FAQ] 如何选择适用于 4-20mA 现场变送器应用的放大器

Cherry Zhou

现场变送器是一个总称，用于常见的工业过程控制系统，如压力变送器、温度变送器和流量变送器。虽然压力、温度和流量变送器各自存在不同的设计难题和注意事项，但三者在信号调节方面仍有一些相似之处。

传感器会将压力、温度、流量等物理量转换为电信号。通常情况下，用于检测上述物理量的传感器（即桥式传感器、热电偶等）会产生小的差分电信号，需要进行放大。仪表放大器可用于放大信号并进行差分至单端转换。

图 1 - 简化版现场变送器实现方案

然后，放大的信号用于创建常见的 4-20mA 电流输出，以便将传感器数据传输到远程处理器。可以通过多种方法来创建此 4-20mA 输出。例如，一种常见的方法是从仪表放大器获取模拟信号，并使用模数转换器 (ADC) 将模拟信号转换为数字域信号。微处理器对该数字信息进行处理后，使用数模转换器 (DAC) 进行转换。随后，DAC 输出用于创建 4-20mA 电流输出。

电压至电流转换可以使用运算放大器和一些外部元件以分立方式完成，但最简单的方法是使用 4-20mA 变送器 (XTR)，它集成了运算放大器并提供一些附加功能（即激励电流、基准电压、错误检测标志等）。XTR 放大器可与 DAC 轻松连接，也可直接与仪表放大器连接，如图 1 所示。

表 1 显示了一些可用于连接多个压力、温度和流量传感器的推荐仪表放大器，要求具有高共模抑制 (CMR)、低失调电压和温漂、低噪声和低功耗。

表 1 - 用于现场变送器的仪表放大器

器件	CMRR（最小值，G = 1000）	输入失调电压（最大值）	输入温漂（最大值）	噪声密度	静态电流（典型值）
INA823	100dB	100µV	2µV/°C	21nV/√Hz	250µA
INA819	140dB	35µV	0.4µV/°C	8nV/√Hz	350µA
INA821	140dB	35µV	0.4µV/°C	7nV/√Hz	650µA
INA317	100dB	75µV	0.3µV/°C	50nV/√Hz	50µA

表 2 显示了一些适用于 2 线和 3 线应用的推荐 XTR 器件。XTR 为创建 4-20mA 变送器提供了一种简单、即用的解决方案。另请访问 [常见问题解答] 如何选择 4-20mA 变送器？，了解更多详细信息。

表 2 - 用于现场变送器的 XTR 器件

器件	功能	电源电压范围	特性
XTR115	2 线	7.5V 至 36V	5V 稳压器和 2.5V 基准电压
XTR111	3 线	8V 至 40V	3V 至 5V 可配置稳压器
XTR305	3 线	10V 至 40V	用户可选的电流/电压输出、输出错误标志、热保护

表 3 显示了一些可用于 4-20mA 现场变送器分立式方案的推荐运算放大器，要求具有低功耗、低失调电压和温漂。

器件	静态电流（典型值）	带宽	输入失调电压（最大值）	失调电压漂移（典型值）	电源电压范围
OPA391	24µA	1MHz	45µV	1.00µV/°C	1.7V 至 5.5V
OPA187	100µA	550kHz	10µV	0.001µV/°C	4.5V 至 36V
OPA333	17µA	350kHz	10µV	0.02µV/°C	1.8V 至 5.5V