Аналоговая токовая петля 4-20 мА остается по-прежнему наиболее распространенным способом подключения управляемого источника тока к датчику. Данный интерфейс предполагает преобразование вольтового сигнала в токовый 4–20 мА. Ввиду жестких требований к точности приходится использовать дорогие прецизионные резисторы, либо ограничивающие потенциометры для калибровки с учетом исходной погрешности более дешевых устройств.
Такой подход сам по себе не может быть оптимальным для современного уровня интеграции. Сложно изготовить прецизионные резисторы для поверхностного монтажа, а ограничивающие потенциометры требуют настройки вручную, что невозможно обеспечить в условиях автоматизированного производства.
Счетверенный резистор Linear Technology LT5400 помогает решать эти проблемы, не прибегая к сложным схемам и ручной регулировке. Общая погрешность предлагаемого решения не превышает 0,2%.
Принципиальная схема для преобразование напряжения в ток с помощью согласованных резисторов LT5400
В схеме используется два усилительных каскада. Входной сигнал, обычно 1–5 В, поступает на неинвертирующий вход IC1A. Ток через R1 равен VIN/R1. Такой же ток протекает через R2. Таким образом, напряжение на R2 равно 24 В (напряжение источника токовой петли) за вычетом входного напряжения.
В данной части схемы имеется три основных источника ошибок: точность согласования R1 и R2, напряжение смещения IC1A, утечка через транзистор Q2. Номинальные значения R1 и R2 не столь важны, главное, чтобы они точно соответствовали друг другу. Максимальная точность LT5400A составляет ± 0,01%. Напряжение смещения для LT1490A не превышает 700 мкВ при температуре 0..70°C. Это напряжение вносит погрешность 0,07% при входном напряжении 1 В. Номинальный ток утечки NDS7002A составляет 10 нА, хотя на практике он намного меньше. Он вносит погрешность 0,001%.
Второй каскад поддерживает напряжение на R3 равным напряжению на R2. Поскольку напряжение на R2 равно входному, ток через Q1 равен отношению входного напряжения к R3. Если в качестве R3 использовать прецизионный резистор 250 Ом (например, Riedon SF-2 с погрешностью 0,1% и низким температурным дрейфом), то ток будет точно повторять входное напряжение.
Во втором каскаде источниками ошибки являются сопротивление R3, напряжение смещения IC1B и ток утечки Q1. Напряжение смещения усилителя вносит вклад не более 0,07%, а ток утечки Q1 не превышает 100 нА, т.е. его максимальная погрешность равна 0,0025%. Диоды D1 и D2 обеспечивают защиту Q1.
Общая выходная погрешность не превышает 0,2%. Основной вклад делает токочувствительный резистор R3. Резистор R6 обеспечивает развязку. Его сопротивление можно увеличить до 100 Ом, однако при этом максимальный выходной сигнал не должен превышать 10 В.