工業(yè)儀表的變送器中廣泛使用4_20mA電流環(huán)來(lái)傳輸測(cè)量信號(hào)，電流信號(hào)相比電壓信號(hào)更不容易被干擾，最小值為4mA而不為0mA，主要是便于檢測(cè)傳輸系統(tǒng)是否存在斷線損害的故障，在4_20mA電流環(huán)信號(hào)上還可以疊加數(shù)字信號(hào)，就形成了工業(yè)Hart通信協(xié)議。

4-20mA系統(tǒng)的現(xiàn)成芯片現(xiàn)在很多，比如TI/ADI都有，我們現(xiàn)在研究其電路結(jié)構(gòu)原理，主要是為了更好地體會(huì)電路設(shè)計(jì)的精髓和為特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)所用，除了4-20mA還有系統(tǒng)使用0-24mA，保不齊將來(lái)你會(huì)使用5-25mA,這類特殊應(yīng)用可沒有現(xiàn)成芯片可用了！

這類應(yīng)用就是電壓轉(zhuǎn)電流的電路，電路結(jié)構(gòu)很多，這里只列舉兩個(gè)經(jīng)典設(shè)計(jì)，從中看看隱藏的電路設(shè)計(jì)秘籍

一、經(jīng)典設(shè)計(jì)1

上圖是原理性電路，電路中除了存在負(fù)反饋R1/R2外，還有 正反饋R3/R4/RS ，這個(gè)正反饋用在線性電路里可能是有些人沒想到的，一般印象中正反饋都是在自激振蕩中使用，其實(shí)正反饋在非自激振蕩電路中一樣可以使用，只有電路整體負(fù)反饋大于正反饋，電路就不會(huì)自激振蕩，此電路參數(shù)選擇比較關(guān)鍵，見以下分析。

對(duì)于輸出端的電壓負(fù)反饋，其可以降低輸出阻抗為ro/(1+AF),當(dāng)系統(tǒng)是正反饋且沒有自激時(shí)，輸出阻抗為ro/(1-AF)，不自激振蕩意味著輸出阻抗不為負(fù)阻抗還是正阻抗，即1-AF>=0,由于AF為正，可見1-AF應(yīng)該是個(gè)小數(shù)，則意味著ro/(1-AF)>>ro，即正反饋引入后，只要參數(shù)設(shè)計(jì)合適不自激振蕩，對(duì)于輸出端的電壓反饋會(huì)導(dǎo)致輸出阻抗增加，最極端的情況就是1-AF=0，導(dǎo)致輸出阻抗無(wú)窮大，成為了真正的恒流源，這正是我們做電壓電流轉(zhuǎn)換最希望的，輸出電流不隨負(fù)載阻抗變化，真正的恒流源！以上經(jīng)典電路是否如此？可以簡(jiǎn)單推導(dǎo)一下：

輸出電流公式和輸出阻抗公式推導(dǎo)：

可見，R1R4+R1R5=R2R3時(shí)，理論上輸出阻抗為無(wú)窮大，是真正恒流源了。

負(fù)載電阻RL不能太大，Vom>=(Rs+RL)Iout => RL<=(Vom/Iout)-Rs,其中Vos是運(yùn)放輸出的最大電壓，Iout是運(yùn)放輸出的最大電流；雖然R3R4+R1Rs-R2R3=0時(shí)，理論上該結(jié)構(gòu)的輸出阻抗非常大，但是運(yùn)用時(shí)受運(yùn)放最大輸出電壓和電流限制，其負(fù)載阻抗不能過(guò)大。

1)下圖是負(fù)載電阻掃描的分析結(jié)果：

負(fù)載電阻從1k變到4k歐姆，從下圖結(jié)果看輸出電流變化在1uA左右，非常穩(wěn)定，說(shuō)明電路基本等效為恒流源，輸出內(nèi)阻非常高，從反饋角度說(shuō)就是有正反饋存在的原因，此仿真用的是實(shí)際運(yùn)放NE5532:

2)以下再對(duì)參數(shù)做一下靈敏度分析 ，看看哪個(gè)因素對(duì)電流穩(wěn)定度影響最大，由于這次分析負(fù)載電阻固定，我們直接分析負(fù)載電阻R7的端電壓V(9)的靈敏度：

以下是結(jié)果：

可見電壓V2/V3的影響最小為0，R7為-1.52989mV/歐姆，V1的影響為-509.97235mV/V,此結(jié)果對(duì)嗎？我們手工分析計(jì)算一下：

a) 根據(jù)前述可得流過(guò)R7負(fù)載的電流為Iout=-{(R2+R6)/[R1*R5]}V1=-1.53mA,而負(fù)載電阻R7的端電壓V(9)=IoutR7,所以其靈敏度應(yīng)該是-1.53mV/歐姆,仿真結(jié)果完全正確！

b) Iout=-{(R2+R6)/[R1R5]}V1=-0.51mAV1=> 負(fù)載電阻R7的端電壓V(9)=IoutR7=-0.51mA1kV1=-0.51*V1,所以相對(duì)V1的靈敏度為-0.51v/v=-510mv/v,仿真結(jié)果完全正確！

**c) **此電路中R5的影響較大

以上只是原理性電路，下圖是實(shí)際電路：

1. Q1是運(yùn)放擴(kuò)流，滿足20mA以上的輸出電流要求
2. 先在V1=0時(shí)，調(diào)整R9和R6，主要是調(diào)整R9使輸出電流為4mA
3. 再在V1=10v時(shí)，調(diào)整R12和R6，主要是調(diào)整R12使輸出為20mA
4. 以下是負(fù)載從100歐姆變化到500歐姆時(shí)的輸出電流仿真結(jié)果：

最大偏差在0.1mA,這主要是因?yàn)镽6電阻沒有完全調(diào)平衡，這也是此電路調(diào)整上的缺點(diǎn)。

二、經(jīng)典設(shè)計(jì)2

以下電路采用了MOSFET和電流鏡原理：

先看看仿真效果：

穩(wěn)定度高的有點(diǎn)讓人懷疑。此電路的最大特點(diǎn)就是使用了MOS管和電流鏡像，R1/R11/運(yùn)放U1A/C1構(gòu)成了電流鏡讀取電路，還記得我們?cè)谝郧巴莆闹薪榻B的電壓鏡像讀取電路嗎？如下綠色部分：

兩者是不是有異曲同工之妙，其中電容C1是負(fù)反饋的相位超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，避免系統(tǒng)自激振蕩的 。這種由對(duì)稱元件構(gòu)成的電壓/電流鏡像讀取電路在模擬電路中很常用 ，它可以避免普通讀取電路的負(fù)載效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)影響的高性能讀??！

三、小結(jié)

通過(guò)分享兩個(gè)經(jīng)典的4-20mA電路設(shè)計(jì)電路，可以體會(huì)：

1. 正反饋在線性電路的應(yīng)用，正反饋不光是構(gòu)成自激振蕩，在輸出端電壓正反饋可以極大地提高輸出阻抗，以后我們還會(huì)分享在輸入端正反饋提高電路輸入阻抗的例子，那是可以用在微弱信號(hào)檢測(cè)電路上的。
2. 電流鏡像讀取電路與電壓鏡像讀取電路的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)
3. mosfet和晶體管擴(kuò)流應(yīng)用