如何判定4-20mA电流源的电流范围

来源：互联网

有人告诉我他有一个4~20mA的电流源。他想判断电流是否超出范围，或者电线是否已断掉!但是没有人知道该如何检测这一点。如果你想接受一项艰巨挑战的话，只需要告诉我，这是一个模拟功能，而且没人知道该如何来进行检测。因此我开始设想，如何才能判断4.0mA电流是否下降到了3.70mA或更低呢?要是我们能够断定这一点该多好，那样就能够说明这是一个非法的状态。

我决定采用Bob Widlar的新型LM10，该器件整合了一个电压基准和一个功率放大器。当然我会构建一个有效的电路，在电流过小的时候检测和发送错误信息。后来我经过绘制电路图和反复修改，构建了一个有用的电路。客户也认为这个电路有用。

由于我们知道，有一本仪器和工业杂志的读者经常使用“4~20mA”器件，因此我还将这个电路作为一种“设计思路”向该杂志投了稿。因此这本杂志发表了这个电路。大约三个月后，我们收到了一封令人愉快的来信，读者对这个小电路展现出了这份杂志从未经历过的前所未有的兴趣。嗯，我猜是这样。

现在，LM10仍在生产和销售，不过价格却高达2.30美元，比起这样一种简单功能的实际价值，这个价格显然有点高。当我们拿到价格比较便宜(批量单价为37美分)的LM4041-ADJ时，我在想，“这个器件应该也能做到这一点”。 LM4041-ADJ具有一个小增益级和一个1.2V的电压参考，因此它可以实现这些功能。

主要规格

4N28的增益相当普通(0.1至0.3)，但是它能够产生一个在下降到接近于“地电位”时能被检出的小标志。LM4041-ADJ可以通过332Ω电阻检测出4.0mA的电流，然后导通4N28。如果该电流降至3.7mA以下，LM4041就会关断光耦。即使是一个简单的电路也可以实现非常有用的功能。你没有必要去找一本30年的杂志。

如果你想检查这个电路开关和检测的实际电平，你可能要将一个小三角波测试仪放在高于和低于3.7mA的已校准电流中。如果输出占空比正好是50%，你就会发现阈值是正确的。如果想获得优于2%的精度，可以进行微调。

我曾经在Teledyne公司工作过，如果你懂希腊语，你会发现Teledyne的意思是“距离和力”。 甚至在与高于或低于地电势几百伏的电压相隔离的情况下，这个电路也可以产生一个较小的力。没有电的连接。因此隔离并不会造成精度低或者费用高。

什么时候需要测试长期稳定性?

几年以前，有一个朋友打电话问我有关一款新型NSC放大器的问题：“您有关于这款运算放大器长期稳定性的数据吗?”我甚至没有查看资料就告诉他，我们确实没有这方面的数据。这只是一款相当新的普通的运算放大器，并没有想要成为低偏置或低漂移领域的技术领先者。因此，不是我们吹牛，这种器件没有任何风险。不过客户却并不满意。

“为什么你们没有关于这方面的完整信息呢?”我试着解释道，我们没有余力收集每种小产品的这类数据，没有余力收集和分析数据，也承受不起为此而延误产品上市的责任。即使我们马上发布这些数据，然后再更新数据手册，用户如果看了最初的数据手册还是会问这个同样的问题。

进行正确的研究所需要的人力、工程量和技术人员工作量将非常大。很少有客户有如此迫切的要求，值得我们去收集这样的数据。一般情况下，如果我们采用这种工艺在以前的电路上获得了比较好的数据，那么变化就相当小，例如布线或电流大小的微小变化，或者输出级的变化，这里，我们假设新器件将与旧器件非常相似。

现在，我们进行一项小的漂移测试，目的只是为了确保不会出什么问题。例如，我们将加载三块电路板，每块板有30个器件，目的是看看电路板是否达到预期的性能。我们将比较高温工作前后1000小时的数据。我们可以将其中一块电路板放到烤箱中，然后收集2000小时的数据。但是这种测试一般都是一个无聊的过场。当我们做完所有的操作后，也没有什么值得夸耀的。除了“合格”之外，没有什么可以写到报告中的。

打电话询问的客人仍然不满意。“好的，那么我会仔细查一下，问问你们的竞争对手他们的长期漂移是多少，”他说道。这样我就回复，“请便”，然后开始告诉他我们的一些竞争对手的电话号码。不过我后来停顿了一下，告诉他：“但他们将会告诉你同样的故事。他们也没有余力对推出的每一个良好的电路进行精确的寿命测试。”

我们在什么情况下需要进行大量的测试和数据记录呢?当我们采用一种新工艺或者新电路，并且这种工艺或电路有望提供优越的性能时。新型低漂移运算放大器?当然。当几年前国家半导体推出新型斩波稳定放大器时，我们进行了所有类型的寿命测试，以确保不会出现任何不稳定的产品。在不存在任何不稳定的放大器的情况下，一个好放大器的标准又是怎样的呢?我们进行了大量挑剔的测试来分析足够多的数据，从而确定了“0.006μV/月”的典型漂移率(例如LMP2012)。

一年或者两年内你期望看到的漂移是多少?根据我们的标准规则是“如果时间为N ×1000小时，我们预期的漂移为n = √N。”这往往会让客户高兴，也会让他们没什么可说的了。因为：1、这个规则往往是事实，或者接近事实;2、如果客户想获得数据，这对于他来说工作量将相当大!这样，他往往不会很快就再提出问题。例如，如果时间为两年(即16,000小时)的话，漂移可以用√16 = 4来估计。

LM199AH电压参考

当38年前发布新型LM199AH时，该器件是采用新工艺设计的一个新电路，旨在消除引起长期漂移的所有可能的原因。其输出容差为±3%，但每1000小时的长期稳定性典型值为0.0020%，即20ppm。

我们进行了大量的初步测试，以筛选出不稳定的器件，然后放进比较电路中，这样我们就可以使用一个出色的六位数字电压表(DVM)来比较多个电压参考源(比如温控标准电池、温控带隙电压参考和其它多个相当不错的齐纳二极管)。

通过采用多个电压参考，我们可以避免所有被测器件(DUT)看起来像在相同的时间产生漂移的情况。这种问题是由于所有待测器件发生漂移引起的吗?不，因为其它电压参考在相同的时间表现出了同样的衰退，这意味着问题在于数字电压表的电压参考。这种影响可以“去掉”，至少可以忽略不计。

有一天我心血来潮，拿出一堆LM199AH，并将它们以四个为一组焊接在一起，用小电阻(499Ω)取其输出的平均值。该输出好像噪声更小，漂移更低。于是我们再做一次测试。很快我找到了四组四个为一组的LM199AH。

我把八个LM199的平均输出与另外八个LM199的平均输出进行了比较，结果确实很好!有些测试显示有限带宽(4Hz)下的噪声不到2μVpp。如果我取16个LM199的平均输出，输出噪声可能会更小!大多数用户都不需要这么低的噪声，但是通过对几个电路进行平均，就可以使噪声成平方根下降，直到你用完力气、空间和电源为止。

审核编辑 黄昊宇