德州儀器 XTR115 和 XTR116：4 - 20mA 電流環路變送器的卓越之選

在工業過程控制、智能傳感器等領域，4 - 20mA 電流環路變送器是不可或缺的關鍵組件。德州儀器（TI）的 XTR115 和 XTR116 就是這類產品中的佼佼者，它們為模擬信號的準確傳輸提供了可靠的解決方案。

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一、產品概述

XTR115 和 XTR116 是精密電流輸出轉換器，專門用于在工業標準電流環路上傳輸 4 - 20mA 的模擬信號。它們具備精確的電流縮放和輸出電流限制功能，能確保信號傳輸的準確性和穩定性。這兩款產品除了參考電壓輸出不同（XTR115 為 2.5V，XTR116 為 4.096V）外，其他方面基本相同，以下將它們統稱為 XTR115/6。

二、產品特性

低靜態電流

靜態電流僅 200μA，這意味著在系統運行過程中，它消耗的能量較少，有助于降低整體功耗，提高系統的能源效率。

集成 5V 穩壓器

為外部電路提供穩定的 5V 電源，方便用戶連接和驅動其他外部設備，無需額外的電源模塊，簡化了電路設計。

高精度參考電壓

XTR115 提供 2.5V 的參考電壓，XTR116 提供 4.096V 的參考電壓，可用于傳感器激勵或偏移，為傳感器提供穩定的激勵電壓，確保傳感器的準確測量。

低誤差

具有低跨度誤差（0.05%）和低非線性誤差（0.003%），能夠保證輸出電流的高精度和線性度，使信號傳輸更加準確可靠。

寬環路電源范圍

環路電源范圍為 7.5V 至 36V，適應不同的電源環境，增強了產品的通用性和適應性。

小封裝

采用 SO - 8 封裝，體積小巧，節省電路板空間，適合在小型化設備中使用。

三、應用領域

2 線 4 - 20mA 電流環路變送器

作為核心組件，實現模擬信號的遠程傳輸，廣泛應用于工業自動化、過程控制等領域。

智能變送器

為智能傳感器提供精確的電流輸出，實現傳感器與控制系統之間的可靠通信。

工業過程控制測試系統

確保測試系統中信號的準確傳輸和控制，提高測試的精度和可靠性。

兼容 HART 調制解調器

可與 HART 通信協議配合使用，實現智能通信和遠程配置，方便用戶對系統進行監控和管理。

電流放大器和電壓 - 電流放大器

將輸入的電壓或電流信號進行放大和轉換，滿足不同應用場景的需求。

四、技術參數

輸出電流

輸出電流線性范圍為 0.25mA 至 32mA，可通過公式 (IO = I{IN} cdot 100) 進行計算，其中 (I_{IN}) 為輸入電流。

誤差指標

跨度誤差在 - 40°C 至 + 85°C 溫度范圍內為 ±0.05%，非線性誤差在輸入電流為 250μA 至 25mA 時為 ±0.003%。

輸入參數

偏移電壓在 - 40°C 至 + 85°C 溫度范圍內為 ±100μV 至 ±500μV，偏置電流噪聲在 0.1Hz 至 10Hz 范圍內為 ±0.1pA/°C。

動態響應

小信號帶寬為 380kHz，壓擺率為 3.2mA/μs，能夠快速響應輸入信號的變化。

參考電壓和穩壓器

參考電壓的精度在 - 40°C 至 + 85°C 溫度范圍內為 ±0.05% 至 ±0.5%，穩壓器輸出電壓為 5V，精度在 - 40°C 至 + 85°C 溫度范圍內為 ±0.05mV/°C。

五、設計要點

外部晶體管選擇

XTR115/6 需要外接晶體管來承載大部分的滿量程輸出電流。在選擇晶體管時，要考慮其電壓、電流和功率額定值，推薦使用 NPN 晶體管，如 2N4922、TIP29C、TIP31B 等。同時，為了減少晶體管發熱對 XTR115/6 的影響，應將晶體管遠離敏感的模擬電路，并采取適當的散熱措施。

最小輸出電流

XTR115/6 的靜態電流（典型值為 200μA）是其輸出電流的下限。當輸入電流為零時，輸出電流等于靜態電流。只有當輸入電流大于靜態電流的 1/100 時，輸出電流才會開始增加。此外，從 (V{REF}) 或 (V{REG}) 吸取的電流會增加最小輸出電流。

輸入偏移

通過從 (V{REF}) 連接合適的電阻或在輸入驅動電路中產生偏移，可以產生 4mA 的低量程電流。例如，使用 62.5kΩ 的電阻可以從 2.5V 的 (V{REF}) 產生 40μA 的輸入電流，從而實現 4mA 的低量程輸出。

最大輸出電流

XTR115/6 能夠提供高達 25mA 的準確線性輸出，內部電路將輸出電流限制在約 32mA，以保護變送器和環路電源/測量電路。如果需要擴展輸出電流范圍，可以通過在引腳 3 和引腳 5 之間連接外部電阻來改變電流限制值，但要注意輸出電流超過 45mA 可能會導致永久性損壞。

反向電壓保護

XTR115/6 的低合規電壓額定值（7.5V）允許使用各種電壓保護方法。例如，使用二極管橋電路可以在電壓連接線路反轉時仍能正常工作，但會導致約 1.4V 的環路電源電壓損失；在環路電源電壓和 V + 引腳之間串聯一個二極管可以防止反向輸出連接線路，僅造成 0.7V 的環路電源電壓損失。

過電壓浪涌保護

遠程連接的電流變送器可能會受到電壓浪涌的影響，因此需要采取過電壓浪涌保護措施。可以選擇低電壓額定值的齊納二極管或浪涌鉗位二極管進行保護，例如 36V 的保護二極管可以在正常環路電壓下確保變送器正常工作，同時提供適當的浪涌保護。

射頻干擾

電流環路的長導線容易引入射頻干擾，可能導致輸出電流不穩定。可以在 (V_{REF}) 引腳添加電容負載，并采用適當的補償方案來確保穩定運行。

六、封裝與訂購信息

XTR115 和 XTR116 提供多種封裝選項，如 SOIC - 8 封裝。訂購時需要注意產品的狀態（如 ACTIVE 表示推薦用于新設計）、環保計劃（如 RoHS & Green）、引腳數、包裝數量等信息。

七、總結

德州儀器的 XTR115 和 XTR116 4 - 20mA 電流環路變送器以其高精度、低功耗、寬電源范圍等優點，成為工業應用中模擬信號傳輸的理想選擇。在設計過程中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇外部晶體管、考慮輸入偏移、輸出電流范圍等因素，并采取適當的保護措施，以確保系統的穩定運行。你在使用 XTR115/6 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。