设计输出隔离式4线制传感器发射器

在我上一篇博文中，我讨论了4线制传感器发射器的基本结构，以及它们与2线制和3线制传感器发射器的不同。在这篇博文中，我将讨论如何构建一个与图1中所示相似的本地供电输出隔离式4线制传感器发射器。本地供电4线制传感器发射器在必须长距离接线，并且传感器的流耗大于4mA的应用中很常见，而这也使2线制发射器无法在此类应用中得以应用。一个常见示例就是电磁流量计。

图1：具有本地电源的输出隔离式4线制传感器发射器

典型4线制发射器的输出级设计同样要比2线制或3线制发射器输出级的设计要简单，其原因在于，4线制模拟输入模块内的感测电阻器是浮动的。因此，你可以使用一个图2中所示的简单灌电流拓扑。你还可以使用一个源电流拓扑，不过这个样的话就需要一个与3线制发射器中相类似的2级设计。

图2：4线制传感器发射器输出级设计

正输出，IOUT+，通过一个限流电路，被连接至一个+18V电源。负输出端子，IOUT-，被接至N类型金属氧化物半导体 (NMOS) 晶体管的漏极。一个运算放大器 (op amp) 驱动NMOS晶体管的栅极，根据输入电压，VIN，来控制流经RSET 电阻器的电流，从而得到方程式1中的V-I转换函数：

在一个输出隔离式发射器中，输出级必须与传感器和电源完全隔离。这就要求从本地电源生成一个隔离式电源，以及一个跨过绝缘隔栅来传送传感器信息的方法。如图3所示，你可以使用一个数字隔离器和数模转换器 (DAC) 来达到这一目的。

图3：具有数字隔离器和DAC的完整输出级

输出隔离式4线制传感器发射器最后部件是针对输出级的隔离式电源。根据输入和输出电压，你可以用很多方法来实现一个隔离式电源。图4显示的是一个输入电压为+24V，输出电压为+18V和+5V的示例解决方案。LM5017降压稳压器从+24V传感器电源输入中生成一个隔离式+20V输出。TPS7A49低压降稳压器 (LDO) 生成+18V输出，而TPS7A1650 LDO生成+5V输出。如需了解与使用LM5017进行电源设计相关的更多信息，请阅读TI Power House中的这篇博文。

图4：针对输出隔离式4线制发射器的隔离式电源

图5显示的是具有本地电源的完整输出隔离式4线制传感器发射器。

图5：具有本地电源的输出隔离式4线制传感器发射器

在这篇博文中，我描述了一个输出隔离式4线制传感器发射器的示例电路设计，这个电路由一个隔离式电源解决方案、一个数字隔离器、一个DAC和一个运算放大器电路构建而成。在我的下一篇博文中，我将给出电源隔离式和全隔离4线制传感器发射器。

其它资源

查看这些针对2线制发射器的TI Designs参考设计：

具有电流环路输出、EMC保护功能的桥式传感器信号调节器 (TIPD126)。

隔离式环路供电热电偶发射器参考设计 (TIDA-00189)

低成本环路供电4-20mA发射器EMC/EMI经测试参考设计 (TIPD158)。

阅读由我的同事和高精度DAC专家Kevin Duke撰写的3线制博文

模拟输出和架构概述。

3线制模拟输出的发展。

在由我的同事Art Kay和Tim Green编写的全新模拟工程师速查参考电子书中寻找常用的模拟设计公式。