XTR115电流环电路原理及应用

图2电路中，信号电压施加在VIN和VG之间，VG相当于传感器部分的参考点。根据运算放大器的基本原理，运算放大器的两个输入端电压基本相等，流入运算放大器输入端的电流基本为零。可知：

此时的I0只是信号变化部分的电流，它的变化范围是0～16 mA，对应到I3是0～160μA，可以根据这一电流和输入信号的电压幅度决定输入电阻RIN；要实现4～20 mA电流环，还必须加入4 mA的偏置电流IB(这个偏置电流包括芯片的工作电流和传感器部分的工作电流Ip)，方法是在运算放大器的同相输入端通过一个电阻Rs接到参考电压上，再引入一路固定的电流Is。这路电流的最大值是Ismax=40μA。通过调节Rs，使得偏置电流IB=100Is+Ip=4 mA。

3XTR115两线制电流环典型应用
利用XTR115构成两线制电流环时，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。该方案需要考虑的主要问题：一是确定所用接收器的数量，即当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。
通常情况下，利用两线制设计方案时，均需要考虑以下几点：
1)电路环中的接收器的数量，更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；
2)变送器所必需的工作电压要有一定的余量；
3)决定传感器的激励方法是电压还是电流。
图3是XTR115电路在温度传感器中的典型应用，温度传感器PT100和RE1、RE2、RE3组成测量桥路，恒流二极管2HD2为桥路提供2 mA的供电电流，运算放大器INA128组成差动放大电路，输出被偏置在Vo=2．5 V的工作点上。放大器的输出通过电阻RIN接到电流环变换电路XTR115。运算放大器INA128的静态电流为700μA；所以输出端还须加入1．3 mA的偏置电流，这个电流可以通过电流偏置电阻Rs获得，Rs=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。

假如温度的测量范围是±100℃。在0℃时放大器的输出电压为VP=VQ=2．5 V，而这时电流环的输出电流应IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信号变化产生的电流应该在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流过RIN的电流应该是I3=8mA／100=80μA。电阻RIN应该是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃时电流环的输出电流应该是IO=20mA。相对0℃时的输出增量是△IO=8mA。流过电阻RIN的电流增量应该是△I3=8mA／100=80μA。这时放大器的输出电压增量应该是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此时电桥的输出电压增量仅仅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益应该为G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
当温度在0℃时，电桥平衡，放大器的输出电压为VP=VQ=2．5 V。电流环的输出电流IO=12 mA。当温度在100℃时，放大器的输出电压为VP=5 V。电流环的输出电流IO=20 mA。当温度在-100℃时，放大器的输出电压为VP=0 V。电流环的输出电流IO=4mA。
然而，运算放大器INA128的最高输出电压达不到5 V；最低输出电压也达不到0V。所以测温范围达不到+100℃。一个简洁的解决方案是降低运算放大器INA128的增益，使运算放大器在100℃时的输出电压达到它的最大值Vomax=4 V。G=(4 V-2．5 V)／17．56 mV=85倍。RG=50 k／(G-1)=595 Ω。这时，当温度在100℃时，放大器的输出电压为VP=4V。电流环的输出电流IO=16．8 mA。当温度在-100℃时，放大器的输出电压为VP=1 V。电流环的输出电流IO=7．2 mA。虽然这样又带来了电流环的输出范围利用不足的缺点，但它并不影响正常测量。
外接晶体三极管只要选用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1．2 W的NPN三极管即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

4 总结
本文针对各种工业场合中抗恶劣电磁干扰环境的需求，给出了一种利用XTR115两线制电流环进行信号传输的电路设计方法。该方法减少了传输线的噪声干扰和传输线的分布电阻产生的电压降，提高了数据通讯接口的可靠性和准确度，具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。