簡介
在任何製程控制系統中，感測器發送器會整理從壓力和溫度到流量和位準的資料，並將這些資訊傳遞到可編程邏輯控制器 (PLC) 或分散式控制系統。
這些發送器依賴 4mA 至 20mA 訊號將資料傳輸至控制器。儘管有 IO-Link 和 Profibus 等標準的出現，4mA 至20mA 仍可在長距離下提供彈性、可靠性、抗雜訊性，以及與每個 PLC 系統的通用相容性。
在本文中，我將概述 4mA 至 20mA 發送器結構、其運作原理以及使用半導體型錄產品實作此發送器類型的替代設計。
4mA 至 20mA 發送器基礎知識
4mA 至 20mA 發送器根據電源和電線數量分為四線、三線和雙線。我將在本文中重點介紹雙線類型。
透過連接電場電源和類比輸入模組，图 1 中的雙線現場發送器形成電流迴路。現場發送器中的第一個子系統為感測子系統，其連接至實體感測器，調整輸出，然後將訊號轉換為數位程式碼以進線性化與校正等處理。第二個子系統為傳輸子系統，其從迴路中擷取電力為發送器供電，並將數位訊號轉換回類比訊號以傳送處理資料，並控制迴路電流。發送器透過在迴路中調節電流來傳輸訊號，並作為電壓受控的電流來源。
图 1. 通用雙線 4mA 至 20mA 感測器發送器。
在 图 2 中，N 通道 P 通道 N 通道 (NPN) 電晶體汲取並調節電流，其基極透過由數位轉類比轉換器 (DAC) 驅動的放大器進行控制。大範圍輸入電壓低壓降 (LDO) 穩壓器可將迴路電壓降至發送器的供電位準，來為不同元件供電。如果 DAC 沒有整合式參考可使用電壓參考，而啟用高速可尋址遠程傳感器 (HART) 的發送器需要 HART 數據機。
图 2. 雙線 4mA 至 20mA 發送器電路。
運作原理非常簡單：將運算放大器的兩個輸入保持在虛擬本地接地。無論 R1 具有什麼電壓，Rsense 也有。藉由適當的調整，Rsense 帶有經調節的 R1 電流。鑑於 Rsense電流幾乎是現場發送器全部的電流 (甚至涵蓋 图 2 未描述到的感測部分)，DAC 輸出控制了整個發送器電流。NPN電晶體和放大器迴路繞過必要的電流，以補充發送器本身使用的任何電流，藉此達到所需的輸出電流。
4mA 至 20mA 發送器設計面向
4mA 至 20mA 發送器設計考量因素有：
• 低功耗運作。
• 體積小巧。
• 整個工業用溫度範圍均維持準確度和低雜訊。
• HART 通訊協定支援。
• 低成本。
設計性能指標
發送器性能指標有幾項需要評估：
迴路合規電壓是發送器正常運作的迴路電壓範圍。主要由LDO 限制決定，並受保護裝置等迴路內的串聯元件影響。典型迴路遵循電壓範圍為 12V 至 36V。
解析度是發送器可以產生並直接連結至 DAC 原生解析度的不同電流輸出值的數量。商業 4mA 至 20mA 發送器的解析度介於 12 位元至 16 位元之間。
線性誤差主要由 DAC 的積分非線性決定，也是整個輸出範圍中的最大誤差 (以最低有效位元 [LSB] 為單位)。
雜訊是以輸出雜訊電流的均方根 (RMS) 測量而得。這種雜訊會使部分輸出位準難以區分，而降低有效解析度。在本情況下，有效解析度是對雜訊性能的測量。對於 16 位解析度系統，有效解析度預期在 13 位元和 15 位元之間，視訊號頻寬而定。
準確度會測量電流輸出與理想電流值的偏差。這包括偏移誤差、增益誤差及非線性誤差的 RMS 總和，再加上這些數值的溫度漂移。未調整的總誤差表示不準確的程度。
動態性能包括訊號頻寬和發送器穩定性。頻寬是指可在迴路上傳輸的最大電流訊號頻寬。此頻寬是由 DAC 安定時間和放大器電路頻寬，以及旁路電晶體的轉導決定。使用退化電阻器可消除對電晶體轉導 (gm) 變化的依賴。放大器電路通常也會在外部補償。穩定性與迴路的頻寬和補償電容器值有關。減少迴路關鍵節點上的電容可確保穩定性。如需迴路穩定性及其需求的詳細分析，請參閱 DAC161S997產品規格表。如果發送器支援 HART，減少外部元件的頻寬有助於防止 HART 訊號干擾。
電路保護會保護發送器不發生反向迴路極性和突波事件等異常情況。反向極性由二極體阻斷。如果以反向極性操作發送器，請使用整流器電橋，如 图 3 所示。突波防護需要暫態電壓抑制二極體 (例如 TVS3301) 和被動元件來限制高電壓事件期間的電流。這類保護元件在運作過程中需要一些空餘空間，並會增加最低合規電壓。
图 3. 雙線發送器的典型防護部分。
發送器電路實作
图 2 中原理圖實作之間的差別在於整合方法。旁路電晶體一律為分離式元件，可增進熱管理。藉由加入像是DAC8740H 的 HART 數據機，以下所有實作均可支援HART 通訊協定。
專屬迴路轉換器
其中一種方法是將 DAC161S997 產品規格書等 DAC 與整合式電壓參考與輸出放大器搭配使用。此解決方案由DAC、寬輸入電壓 LDO 和 NPN 電晶體組成，如 图 4 所示。此實作具有 130μA 電流消耗和優異的精準度，無需校正。DAC161S997 具有診斷功能，可在低電源或高電流負載情況下偵測電流迴路錯誤，並傳送低於 4mA 的錯誤低電流訊號。
此設計十分簡單，少數外部零組件即可確保迴路穩定性並限制突波電流。這種方法的最高操作溫度為 105°C。
图 4. 使用 DAC161S997 的雙線 4mA 至 20mA 發送器。
迴路發送器裝置
另一種實作使用 DAC8551 等低功耗 DAC，然後使用XTR115 等專屬迴路發送器，搭配整合式 LDO、電壓參考和輸出放大器。這種方法可將雜訊降至最低，增益誤差低
於 1%。
不過有一些限制：XTR115 操作溫度限制在 85°C，整合式LDO 最高輸入為 36V。作為替代品，XTR117 採用更小的封裝，靜態電流消耗量更低，並可在高達 125°C 的溫度下運作。XTR117 的整合式 LDO 運作電壓高達 40V。
XTR117 不會整合電壓參考，所以加上外部參考的話，此解決方案成為三裝置解決方案：LDO、DAC 和電壓參考，如 图 5 所示。
图 5. 使用 XTR117 的雙線 4mA 至 20mA 發送器。
MCU 整合式 DAC
具成本效益的應用可採用有類比資源的 MCU。MSPM0GMCU 可做到發送器階段實作，包括整合式 12 位元 DAC、內部參考和輸出放大器。LDO 是唯一需要的外部設備，如图 6 所示。由於是在 MCU 的數位程序上實作類比功能，因此比起其專屬類比裝置，這些裝置的耗電量相對較高。對於需要以超低成本達到 11 位元有效解析度的應用而言，此方法非常具吸引力。若使用 VREF– 針腳作為內部參考負極針腳，而不是接地接腳，便可改善性能。分離VREF– 針腳可從類比參考中隔離出數位雜訊。
图 6. 使用 MSPM0G 實作的雙線 4mA 至 20mA 發送器。
PWM 型 DAC
較常見的 MCU (無整合式 DAC) 使用方法是依靠脈衝寬度調變 (PWM) 產生 DAC 輸出。簡易 PWM DAC 的解析度為10 位元至 12 位元。不過也可利用更先進的技術，如雙路徑 PWM 及主動漣波抑制，來實現 16 位元解析度 DAC。
為了達到高有效解析度，會使用電壓參考供電邏輯閘來緩衝 PWM 訊號；MCU 需要適當的旁路，以避免數位雜訊注入迴路電流。图 7 中描述的實作為低功率，在不同溫度下設計 4mA 至 20mA 迴路供電發送器3 ADJ 2Q 2024具穩定性，並能以極低成本達到超過 13 位元的有效解析度。
图 7. 使用 PWM DAC 實作的雙線 4mA 至 20mA 發送器。
獨立式低功耗 DAC
使用低功耗獨立式 DAC 來實現 图 8 中的 AFE88101 等4mA 至 20mA 發送器，可獲得最佳解析度和線性性能。為了進一步降低功率，REF35125 等低功率電壓參考可以將電流降至 180μA。此外，AFE88101 還具備豐富的診斷功能，包括 12 位元 ADC 與定義的容錯模式。
AFE881H1 與 AFE88101 針腳對針腳相容，並具有精巧型支援 HART 發送器適用的整合式 HART 數據機。若啟用HART，AFE881H1 的電流消耗較低。HART 數據機在運作期間一般消耗 10μA，使其成為低功耗、支援 HART 發送器的首選裝置。AFE88101 的另一項功能是與 1.8V 邏輯的相容性，可允許低電壓數位運作，進一步降低 MCU 輸入/輸出側的功率，並減少電磁放射。
图 8. 使用 AFE88101 實作的雙線 4mA 至 20mA 發送器。
是以 130μA 執行 DAC8311 DAC、LDO 和外部參考，而仍有相當程度性能的低成本版。
實作比較
表 1 和 表 2 顯示每項實作、建議的物料清單 (BOM) 及預期性能。性能數據是根據有限測量結果而得。
表 1. 4mA 至 20mA 發送器的設計選項、建議的 BOM 和性能 (MSPM0 DAC12、使用 M0 的 PWM、XTR117)。
表 2. 4mA 至 20mA 發送器的設計選項、建議的 BOM 和性能 (DAC161S997、DAC8311、AFE881H1)。
(1) DAC8740 的最高斷電電流為 180μA，在使用晶體振盪器啟動時則約為 300μA。但 AFE881H1 HART 數據機平均會消耗 10μA。如果啟用 HART，需
新增對應的電流。
結論
此選擇程序可協助您在設計 4mA 至 20mA 發送器時決定正確的實作：
• 若您要打造安全系統，且需要最高精度和最低雜訊性能，或是尋求功耗低於 200μA 且支援 HART 的發送器，AFE88101 和 AFE881H1 是您的首選。
• DAC161S997 實作提供最低的功耗和佔用空間，其次是 DAC8311 實作，而如果比起功耗更注重性能，則可選擇 XTR117 實作。
• 若想花費最低的成本，請選擇 MSPM0G 實作。如果不滿意其性能，下一個成本最佳化的解決方案是 PWM 解決方案。
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