AD694：4 - 20 mA 电流变送器的卓越之选

在工业过程控制、工厂自动化和系统监测等领域，精确可靠的信号传输至关重要。AD694 作为一款高性能的单片电流变送器，为这些应用提供了理想的解决方案。今天，我们就来深入了解一下 AD694 的特性、工作原理、设计指南以及应用实例。

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一、AD694 特性概览

AD694 具有众多令人瞩目的特性，使其在同类产品中脱颖而出：

1. 输出范围灵活：支持 4 - 20 mA 和 0 - 20 mA 两种输出范围，可根据不同应用需求进行选择。
2. 预校准输入范围：提供 0 V 至 2 V 和 0 V 至 10 V 的预校准输入范围，通过简单的引脚连接即可选择，还可使用外部电阻编程其他范围。
3. 精密电压基准：可编程为 2.000 V 或 10.000 V，满足不同系统对电压基准的要求。
4. 宽电源范围：支持 4.5 V 至 36 V 的单电源或双电源供电，适应多种电源环境。
5. 高输出合规性：独特的输出级设计，使其输出电压在单电源和双电源操作中都具有良好的合规性，能驱动各种负载。
6. 低非线性度：典型非线性度仅为 0.002%，确保输出信号的高精度。

二、工作原理剖析

为了更好地理解 AD694 的工作原理，我们可以将其电路分为三个功能部分：

1. 缓冲放大器

缓冲放大器是一个单电源放大器，可作为单位增益缓冲器、电流输出 DAC 的输出放大器或增益块来放大低电平信号。其 PNP 输入级的共模范围从地以下几百 mV 延伸到 (V{S}) 以下 2.5 V。放大器的 A 类输出出现在引脚 1（FB），输出范围从略高于地的 1 mV 到 (V{S}) 以下 2.5 V。

2. 电压 - 电流（V/I）转换器

来自缓冲放大器的接地参考输入信号被转换为 0 至 0.8 mA 的电流，并通过电流镜将信号乘以 20 倍，得到 0 至 16 mA 的信号电流。V/I 转换器的输出级设计独特，允许 (I_{OUT}) 引脚驱动负载低于器件的公共（基板）电位。

3. 4 mA 偏移发生器

该电路将来自电压基准的恒定电压转换为约 200 µA 的恒定电流，并与信号电流在引脚 14（BW 调整）处相加，从而在 (I_{OUT}) 处产生 4 mA 的恒定偏移电流。通过引脚 6（4 mA 调整）可将偏移电流调整到 2 mA 至 4.8 mA 范围内的任何值，引脚 9（4 mA 开/关）可完全关闭偏移电流，实现 0 - 20 mA 的操作。

三、设计指南与注意事项

1. 基本连接

在设计中，建议在所有应用中从 (V_{S})（引脚 13）到 Com（引脚 5）添加一个 0.1 µF 的去耦电容，以减少电源噪声的影响。如果输出负载是非电阻性的，可能需要额外的组件来确保稳定性。

2. 驱动非电阻性负载

当驱动非电阻性负载时，为了确保 AD694 的稳定性，可从 (I_{OUT})（引脚 11）到 Com（引脚 5）添加一个 0.01 µF 的电容。对于电感负载，还应添加两个保护二极管 D1 和 D2，以防止电压尖峰损坏器件。

3. 0 - 20 mA 操作

通过将引脚 9（4 mA 开/关）连接到 3 V 或更高的电位，可以关闭 4 mA 偏移电流，实现 0 - 20 mA 的输出范围。此时，输入范围会增加 20%，最小电源电压也会相应提高。

4. 双电源操作

AD694 可以在双电源模式下工作，其输出级的独特设计允许 (I_{OUT}) 引脚延伸到低于公共电位的负电源。这种特性可以简化与双电源 DAC 的接口，消除接地和电平转换问题，同时增加变送器能够驱动的负载。

5. 功率耗散考虑

虽然 AD694 在不使用外部通晶体管的情况下可以在指定温度范围内工作，但在某些电源电压和电压基准负载的组合下，可能会超过绝对最大功耗。因此，需要计算器件的总功耗，以确保结温不超过 150°C。

四、调整与编程方法

1. 4 mA 零调整

通过拉动引脚 6（4 mA 调整）可以调整 4 mA 零电流，调整范围为 2 mA 至 4.8 mA。为了实现线性调整，可以使用特定的电阻网络，并根据所需的调整范围计算电阻值。

2. 量程调整

对于 10 V 满量程输入，可以使用特定的网络进行量程调整；对于 2 V 满量程输入，则需要采用不同的调整方案。此外，还可以通过编程缓冲放大器的增益或调整 V/I 转换器的跨导来实现其他量程的编程。

3. 参考输出调整

可以通过添加外部电阻对 10 V 参考输出进行小幅度调整，也可以通过并联电阻来编程其他参考电压。

4. 带宽控制

通过在 BW ADJ（引脚 14）和 (V_{S})（引脚 13）之间连接外部电容，可以限制 AD694 的带宽，实现噪声滤波。但这种方法不适合过滤输入信号中的大高频瞬变，建议使用输入滤波器消除高于缓冲放大器带宽的频率。

五、应用实例分享

1. 数字到 4 - 20 mA 接口

AD694 可以轻松与电流输出 DAC 接口，构建数字到 4 - 20 mA 的接口电路。例如，使用 AD694 的 10 V 参考为 AD565A 提供参考输入，通过缓冲放大器将满量程电流转换为 +10 V。

2. 单电源数字到 4 - 20 mA 接口

可以构建一个在单 15 V 电源下工作的 12 位输入到 4 - 20 mA 输出的接口。通过将 DAC 工作在电压切换模式，结合 AD694 的电压参考和输入级，实现 4 - 20 mA 的输出。

3. 低成本传感器变送器

利用 AD694、双运算放大器和一些电阻，可以构建一个低成本的传感器变送器。该电路可以将传感器的差分信号转换为 4 - 20 mA 的输出电流，适用于各种传感器应用。

六、总结

AD694 以其丰富的特性、灵活的设计和广泛的应用范围，为电子工程师提供了一个强大而可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择输入输出范围、调整参数，并注意功率耗散和稳定性等问题。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和应用 AD694，在电子设计中取得更好的成果。你在使用 AD694 或类似产品时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。