4-20mA电流环电路设计中隐藏的秘籍

工业仪表的变送器中广泛使用4_20mA电流环来传输测量信号，电流信号相比电压信号更不容易被干扰，最小值为4mA而不为0mA，主要是便于检测传输系统是否存在断线损害的故障，在4_20mA电流环信号上还可以叠加数字信号，就形成了工业Hart通信协议。

4-20mA系统的现成芯片现在很多，比如TI/ADI都有，我们现在研究其电路结构原理，主要是为了更好地体会电路设计的精髓和为特殊应用设计所用，除了4-20mA还有系统使用0-24mA，保不齐将来你会使用5-25mA,这类特殊应用可没有现成芯片可用了！

这类应用就是电压转电流的电路，电路结构很多，这里只列举两个经典设计，从中看看隐藏的电路设计秘籍

一、经典设计1

上图是原理性电路，电路中除了存在负反馈R1/R2外，还有 正反馈R3/R4/RS ，这个正反馈用在线性电路里可能是有些人没想到的，一般印象中正反馈都是在自激振荡中使用，其实正反馈在非自激振荡电路中一样可以使用，只有电路整体负反馈大于正反馈，电路就不会自激振荡，此电路参数选择比较关键，见以下分析。

对于输出端的电压负反馈，其可以降低输出阻抗为ro/(1+AF),当系统是正反馈且没有自激时，输出阻抗为ro/(1-AF)，不自激振荡意味着输出阻抗不为负阻抗还是正阻抗，即1-AF>=0,由于AF为正，可见1-AF应该是个小数，则意味着ro/(1-AF)>>ro，即正反馈引入后，只要参数设计合适不自激振荡，对于输出端的电压反馈会导致输出阻抗增加，最极端的情况就是1-AF=0，导致输出阻抗无穷大，成为了真正的恒流源，这正是我们做电压电流转换最希望的，输出电流不随负载阻抗变化，真正的恒流源！以上经典电路是否如此？可以简单推导一下：

输出电流公式和输出阻抗公式推导：

可见，R1R4+R1R5=R2R3时，理论上输出阻抗为无穷大，是真正恒流源了。

负载电阻RL不能太大，Vom>=(Rs+RL)Iout => RL<=(Vom/Iout)-Rs,其中Vos是运放输出的最大电压，Iout是运放输出的最大电流；虽然R3R4+R1Rs-R2R3=0时，理论上该结构的输出阻抗非常大，但是运用时受运放最大输出电压和电流限制，其负载阻抗不能过大。

1)下图是负载电阻扫描的分析结果：

负载电阻从1k变到4k欧姆，从下图结果看输出电流变化在1uA左右，非常稳定，说明电路基本等效为恒流源，输出内阻非常高，从反馈角度说就是有正反馈存在的原因，此仿真用的是实际运放NE5532:

2)以下再对参数做一下灵敏度分析 ，看看哪个因素对电流稳定度影响最大，由于这次分析负载电阻固定，我们直接分析负载电阻R7的端电压V(9)的灵敏度：

以下是结果：

可见电压V2/V3的影响最小为0，R7为-1.52989mV/欧姆，V1的影响为-509.97235mV/V,此结果对吗？我们手工分析计算一下：

a) 根据前述可得流过R7负载的电流为Iout=-{(R2+R6)/[R1*R5]}V1=-1.53mA,而负载电阻R7的端电压V(9)=IoutR7,所以其灵敏度应该是-1.53mV/欧姆,仿真结果完全正确！

b) Iout=-{(R2+R6)/[R1R5]}V1=-0.51mAV1=> 负载电阻R7的端电压V(9)=IoutR7=-0.51mA1kV1=-0.51*V1,所以相对V1的灵敏度为-0.51v/v=-510mv/v,仿真结果完全正确！

**c) **此电路中R5的影响较大

以上只是原理性电路，下图是实际电路：

1. Q1是运放扩流，满足20mA以上的输出电流要求
2. 先在V1=0时，调整R9和R6，主要是调整R9使输出电流为4mA
3. 再在V1=10v时，调整R12和R6，主要是调整R12使输出为20mA
4. 以下是负载从100欧姆变化到500欧姆时的输出电流仿真结果：

最大偏差在0.1mA,这主要是因为R6电阻没有完全调平衡，这也是此电路调整上的缺点。

二、经典设计2

以下电路采用了MOSFET和电流镜原理：

先看看仿真效果：

稳定度高的有点让人怀疑。此电路的最大特点就是使用了MOS管和电流镜像，R1/R11/运放U1A/C1构成了电流镜读取电路，还记得我们在以前推文中介绍的电压镜像读取电路吗？如下绿色部分：

两者是不是有异曲同工之妙，其中电容C1是负反馈的相位超前补偿网络，避免系统自激振荡的 。这种由对称元件构成的电压/电流镜像读取电路在模拟电路中很常用 ，它可以避免普通读取电路的负载效应，可以实现无影响的高性能读取！

三、小结

通过分享两个经典的4-20mA电路设计电路，可以体会：

1. 正反馈在线性电路的应用，正反馈不光是构成自激振荡，在输出端电压正反馈可以极大地提高输出阻抗，以后我们还会分享在输入端正反馈提高电路输入阻抗的例子，那是可以用在微弱信号检测电路上的。
2. 电流镜像读取电路与电压镜像读取电路的结构和应用特点
3. mosfet和晶体管扩流应用