深入剖析MAX12900：超低壓4 - 20mA傳感器發(fā)射器的卓越之選

在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域，4 - 20mA電流環(huán)因其抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。今天，我們要深入探討一款超低壓、高度集成的4 - 20mA傳感器發(fā)射器——MAX12900，看看它是如何在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出的。

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一、MAX12900概述

MAX12900是一款超低壓、高度集成的4 - 20mA傳感器發(fā)射器，它將十個(gè)功能模塊集成在一個(gè)小巧的封裝中，包括寬輸入電源電壓LDO、兩個(gè)PWM輸入調(diào)理電路、三個(gè)運(yùn)算放大器（兩個(gè)通用運(yùn)放OP1和OP2，一個(gè)零漂移寬帶運(yùn)放OP3）、兩個(gè)診斷比較器、一個(gè)帶電源正常輸出的上電順序器以及一個(gè)低漂移電壓基準(zhǔn)。這種高度集成的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了電路板空間，還降低了系統(tǒng)成本和功耗。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

1. 寬輸入電源范圍：支持4.0V至36V的寬輸入電源范圍，能夠適應(yīng)各種不同的電源環(huán)境，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
2. 超低功耗：典型功耗僅為170μA，大大降低了系統(tǒng)的能耗，延長了電池供電設(shè)備的使用壽命。
3. 高線性度：最大誤差僅為0.01%，確保了精確的信號(hào)傳輸和處理，提高了系統(tǒng)的測量精度。
4. 高分辨率：最高可達(dá)16位分辨率，能夠滿足對(duì)精度要求較高的應(yīng)用場景。
5. 低漂移電壓基準(zhǔn)：溫度系數(shù)最大為10ppm/°C，保證了在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
6. 寬溫度范圍：可在-40°C至+125°C的寬工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。
7. 小封裝：采用5mm x 5mm x 0.8mm的32引腳TQFN封裝，節(jié)省了電路板空間，便于小型化設(shè)計(jì)。

三、功能模塊詳解

3.1 上電順序器

上電順序器在上電過程中，會(huì)將所有運(yùn)放和PWM輸出置于高阻態(tài)，比較器輸出置低，直到VCCI達(dá)到其最終值的90%。之后，PWRGOOD信號(hào)被置高，所有輸出由其輸入控制。PWRGOOD信號(hào)在VCCI達(dá)到最終值的90%后會(huì)延遲0.7ms（典型值），這使得由MAX12900控制的外部環(huán)路有足夠的時(shí)間穩(wěn)定，確保系統(tǒng)的可靠啟動(dòng)。

3.2 PWM調(diào)理器

PWM調(diào)理器在輸入電壓低于閾值電壓時(shí)輸出地電平，高于閾值電壓時(shí)輸出VREF。通過將SHDN引腳置低，可以對(duì)PWM調(diào)理器進(jìn)行斷電操作，此時(shí)PWM輸出為高阻態(tài)。這種設(shè)計(jì)使得PWM調(diào)理器能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活控制，降低了功耗。

3.3 通用運(yùn)算放大器（OP1和OP2）

OP1和OP2具有低工作電源電壓、低輸入偏置電流、軌到軌輸出以及高增益帶寬積與電源電流比等特點(diǎn)。在85°C時(shí)，這些CMOS器件的輸入偏置電流超低，可達(dá)15pA。它們具有200kHz的增益帶寬積，能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)高達(dá)100pF的容性負(fù)載。輸入共模電壓范圍可擴(kuò)展至地以下100mV，并且具有出色的共模抑制能力。在100kΩ負(fù)載下，OP1和OP2能夠?qū)⑤敵鲵?qū)動(dòng)到接近兩個(gè)電源軌的25mV以內(nèi)。運(yùn)放的建立時(shí)間主要取決于輸出電壓，并且受壓擺率限制。這些通用運(yùn)放可用于PWM濾波、線性濾波/放大或作為線性或并聯(lián)穩(wěn)壓器控制器。

3.4 零漂移寬帶運(yùn)算放大器（OP3）

OP3采用了創(chuàng)新的自動(dòng)調(diào)零技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高精度和低噪聲的同時(shí)，將功耗降至最低。超低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)漂移和1/f噪聲，使得它能夠構(gòu)建出高精度的電流發(fā)射器。高增益帶寬積允許在更寬的頻帶內(nèi)抑制噪聲。OP3放大器在輸出端實(shí)現(xiàn)了軌到軌性能，并且能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)高達(dá)300pF的容性負(fù)載。對(duì)于更高的容性負(fù)載，可以通過在運(yùn)放輸出端串聯(lián)一個(gè)隔離電阻來提高穩(wěn)定性。

3.5 低漂移2.5V電壓基準(zhǔn)

該精密帶隙基準(zhǔn)采用了專有的曲率校正電路和激光微調(diào)薄膜電阻，溫度系數(shù)小于10ppm/°C，初始精度優(yōu)于0.2%。它能夠吸收和提供高達(dá)500μA的電流，適用于低電壓應(yīng)用。該基準(zhǔn)對(duì)于高達(dá)2nF的容性負(fù)載是穩(wěn)定的。在負(fù)載可能發(fā)生階躍變化的應(yīng)用中，輸出電容可以減少過沖（或下沖）的幅度，并改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)?；鶞?zhǔn)通常在220μs內(nèi)開啟并穩(wěn)定到其最終值的0.1%以內(nèi)。

3.6 通用比較器（COMP1和COMP2）

COMP1和COMP2的傳播延遲為2μs。每個(gè)比較器由兩個(gè)獨(dú)立的電源軌供電，輸入級(jí)的VCCI范圍為3.0V至5.5V，輸出驅(qū)動(dòng)器的VDD范圍為1.8V至3.6V，這使得它們能夠直接連接到微控制器。內(nèi)部輸出驅(qū)動(dòng)器能夠在高達(dá)100μA的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)軌到軌輸出擺幅。兩個(gè)比較器都提供推挽輸出，能夠吸收和提供電流。輸入共模電壓范圍從0V擴(kuò)展到VCCI - 1.3V，MAX12900的比較器可以在這些限制范圍內(nèi)的任何差分輸入電壓下工作。輸入偏置電流通常小于1nA。這些比較器可用于VCC、VDD或VREF電壓監(jiān)控或其他診斷功能，為微控制器提供狀態(tài)信息。

3.7 LDO

MAX12900的所有組件均由一個(gè)集成的LDO供電，該LDO能夠?qū)?.0V至36V的輸入VCC電壓轉(zhuǎn)換為3.0V至5.5V的VCCI電壓。LDO為敏感的模擬電路提供了干凈的電源。LDO的輸出由外部電阻設(shè)置，可通過以下公式選擇： [V_{OUT }=1.212 V times(1+R 1 / R 2)] 其中，1.212V是內(nèi)部參考電壓，R1和R2構(gòu)成一個(gè)電阻分壓器，為LDO環(huán)路提供反饋電壓。建議R2小于或等于470kΩ。例如，對(duì)于VCCI = 3.3V，可以使用標(biāo)準(zhǔn)1% E96電阻系列值中的R1 = 698kΩ和R2 = 402kΩ。

四、典型應(yīng)用電路

4.1 帶PWM輸入的環(huán)路供電4 - 20mA傳感器發(fā)射器

在這個(gè)應(yīng)用中，來自微控制器的PWM輸入由調(diào)理器整形，經(jīng)過OP1運(yùn)放濾波后轉(zhuǎn)換為模擬電壓。然后，該電壓由OP3、外部晶體管Q1和電流檢測電阻RSENSE轉(zhuǎn)換為4 - 20mA環(huán)路電流。

組件選擇

假設(shè)環(huán)路電流范圍為2.5mA至27.5mA（包括NAMUR故障檢測），使用24.9Ω的RSENSE電阻，OP3的同相輸入（OP3P）應(yīng)在62.25mV（2.5mA × 24.9Ω）至684.75mV（27.5mA × 24.9Ω）的范圍內(nèi)。

環(huán)路電流（Iloop）由兩部分組成：參考輸出產(chǎn)生的偏移電流（Ioffset）和PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換的電流（IPWMA、IPWMB）。 [l{loop }=l{offset }+l{PWMA }+l{PWMB }] 上電后，假設(shè)PWM信號(hào)對(duì)環(huán)路電流無貢獻(xiàn)，初始2.5mA的偏移電流由參考電壓產(chǎn)生： [loffset =frac{REFO × R 13}{R 8 × R{SENSE }}] PWM電流由以下公式給出： [IPWMA =frac{PWMADC × REFO timesleft(frac{R 5}{R 3}right) × R 13}{R 7 × R{SENSE }}] [IPWMB =frac{ PWMBDC × REFO timesleft(frac{R 5}{R 4}right) × R 13}{R 7 × R_{SENSE }}] 其中，PWMADC和PWMBDC是PWM占空比。

4.2 DAC實(shí)現(xiàn)：PWM與低通濾波器

從微控制器接收到的傳感器數(shù)據(jù)可以分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)PWM信號(hào)，兩者的分辨率最高可達(dá)8位。PWM信號(hào)通過低通濾波器（LPF）轉(zhuǎn)換為電壓電平表示。MAX12900的PWM輸出通過兩個(gè)增益設(shè)置電阻連接到LPF，電阻比最高可達(dá)1:256；LPF輸出的電壓電平與PWM占空比成正比。

在圖2所示的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)14位分辨率的信號(hào)路徑。PWMAP輸入接收8位分辨率的粗調(diào)信號(hào)，PWMBP輸入接收6位分辨率的細(xì)調(diào)信號(hào)。兩個(gè)增益設(shè)置電阻采用1:66的比例。粗調(diào)增益通過使用22.6kΩ的增益電阻R3和22.6kΩ的反饋電阻R5設(shè)置為1，細(xì)調(diào)增益通過使用1.5MΩ的增益電阻R4設(shè)置為1/66。兩個(gè)PWM輸出通過OP1的22.6kΩ反饋電阻R5求和。

PWM頻率和濾波器參數(shù)必須滿足4 - 20mA電流環(huán)的噪聲要求。在這個(gè)例子中，PWM頻率為10kHz，4 - 20mA發(fā)射器設(shè)計(jì)滿足HART規(guī)范。因此，在靜默期間，電流環(huán)的寬帶噪聲必須低于138mVRMS，帶內(nèi)噪聲（500Hz - 10kHz）在500Ω環(huán)路負(fù)載下必須低于2.2mVRMS。為了將帶內(nèi)噪聲水平降低到2.2mVRMS，LPF應(yīng)將噪聲抑制超過60dB（2.5V / 2.2mV = 1136.4或61dB）。因此，LPF的截止頻率應(yīng)低于70Hz，滾降斜率為40dB/十倍頻程。OP1實(shí)現(xiàn)了一個(gè)二階多反饋LPF。

4.3 電壓控制電流源

集成的OP3運(yùn)放可以與外部電流調(diào)制晶體管Q1結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)精密的電壓控制電流源。Q1可以是N - MOSFET或雙極NPN晶體管，需要滿足電流環(huán)的峰值電壓和功耗要求。OP3和Q1與幾個(gè)外部組件結(jié)合，為電流環(huán)提供了一個(gè)最佳的補(bǔ)償點(diǎn)。

4.4 環(huán)路電流診斷

在圖2的應(yīng)用示例中，第二個(gè)通用放大器（OP2）用于電流診斷，并向微控制器提供反饋。

4.5 與傳感器的連接

MAX12900可以與任何類型的傳感器發(fā)射器配合使用，尤其適用于智能傳感器。智能傳感器具有集成的微控制器，能夠提供線性模擬或PWM輸出。如果發(fā)射器的總電流消耗小于4mA，可以直接從VCCI引腳為傳感器和數(shù)字VDD電源供電。如果發(fā)射器需要超過4mA的電流，可以使用外部dc - dc開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

4.6 用于防爆設(shè)備的環(huán)路供電4 - 20mA發(fā)射器

如果傳感器要部署在危險(xiǎn)或爆炸區(qū)域，必須使用額外的保護(hù)組件來限制短路或故障情況下的電能，并防止可能引發(fā)爆炸性氣氛的火花。在圖4所示的應(yīng)用電路中，為了限制流向傳感器發(fā)射器的電能，增加了一個(gè)額外的晶體管Q2和齊納二極管。通常，齊納二極管的鉗位電壓應(yīng)為5V至12V。在這種情況下，Q1和Q2晶體管都是電路的電流調(diào)制元件。4 - 20mA環(huán)路總電流是流經(jīng)齊納二極管、Q1晶體管和傳感器的電流之和。每個(gè)電流路徑都由限流電阻保護(hù)。大部分功耗通過Q1、Q2和齊納二極管分散，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加可靠。

五、總結(jié)

MAX12900以其超低功耗、高度集成、高線性度、高分辨率以及寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域中4 - 20mA傳感器發(fā)射器的理想選擇。其豐富的功能模塊和靈活的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，能夠滿足不同用戶的需求。無論是在普通工業(yè)環(huán)境還是在危險(xiǎn)爆炸區(qū)域，MAX12900都能穩(wěn)定可靠地工作，為系統(tǒng)提供精確的信號(hào)傳輸和處理。作為電子工程師，我們在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，不妨考慮一下這款優(yōu)秀的產(chǎn)品。大家在使用MAX12900的過程中，有沒有遇到什么有趣的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用場景呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。