相信大家對4~20mA的電流源并不陌生，有人告訴我他有一個4~20mA的電流源,。他想判斷電流是否超出范圍,，或者電線是否已斷掉!但是沒有人知道該如何檢測這一點(diǎn),。如果你想接受一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)的話，只需要告訴我,，這是一個模擬功能,，而且沒人知道該如何來進(jìn)行檢測。因此我開始設(shè)想,，如何才能判斷4.0mA電流是否下降到了3.70mA或更低呢?要是我們能夠斷定這一點(diǎn)該多好,，那樣就能夠說明這是一個非法的狀態(tài)。
我決定采用Bob Widlar的新型LM10,，該器件整合了一個電壓基準(zhǔn)和一個功率放大器,。當(dāng)然我會構(gòu)建一個有效的電路，在電流過小的時(shí)候檢測和發(fā)送錯誤信息,。后來我經(jīng)過繪制電路圖和反復(fù)修改,，構(gòu)建了一個有用的電路?？蛻粢舱J(rèn)為這個電路有用,。由于我們知道，有一本儀器和工業(yè)雜志的讀者經(jīng)常使用“4~20mA”器件,，因此我還將這個電路作為一種“設(shè)計(jì)思路”向該雜志投了稿,。因此這本雜志發(fā)表了這個電路。大約三個月后,，我們收到了一封令人愉快的來信,，讀者對這個小電路展現(xiàn)出了這份雜志從未經(jīng)歷過的前所未有的興趣。嗯,，我猜是這樣,。
現(xiàn)在，LM10仍在生產(chǎn)和銷售,，不過價(jià)格卻高達(dá)2.30美元,，比起這樣一種簡單功能的實(shí)際價(jià)值，這個價(jià)格顯然有點(diǎn)高,。當(dāng)我們拿到價(jià)格比較便宜(批量單價(jià)為37美分)的LM4041-ADJ時(shí),，我在想，“這個器件應(yīng)該也能做到這一點(diǎn)”,。 LM4041-ADJ具有一個小增益級和一個1.2V的電壓參考,，因此它可以實(shí)現(xiàn)這些功能(請參見圖)。
主要規(guī)格
4N28的增益相當(dāng)普通(0.1至0.3)，但是它能夠產(chǎn)生一個在下降到接近于“地電位”時(shí)能被檢出的小標(biāo)志,。LM4041-ADJ可以通過332Ω電阻檢測出4.0mA的電流,，然后導(dǎo)通4N28。如果該電流降至3.7mA以下,，LM4041就會關(guān)斷光耦,。即使是一個簡單的電路也可以實(shí)現(xiàn)非常有用的功能。你沒有必要去找一本30年的雜志,。
如果你想檢查這個電路開關(guān)和檢測的實(shí)際電平,，你可能要將一個小三角波測試儀放在高于和低于3.7mA的已校準(zhǔn)電流中。如果輸出占空比正好是50%,，你就會發(fā)現(xiàn)閾值是正確的,。如果想獲得優(yōu)于2%的精度，可以進(jìn)行微調(diào),。
我曾經(jīng)在Teledyne公司工作過,，如果你懂希臘語，你會發(fā)現(xiàn)Teledyne的意思是“距離和力”,。 甚至在與高于或低于地電勢幾百伏的電壓相隔離的情況下,，這個電路也可以產(chǎn)生一個較小的力。沒有電的連接,。因此隔離并不會造成精度低或者費(fèi)用高,。
什么時(shí)候需要測試長期穩(wěn)定性?
幾年以前，有一個朋友打電話問我有關(guān)一款新型NSC放大器的問題：“您有關(guān)于這款運(yùn)算放大器長期穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)嗎?”我甚至沒有查看資料就告訴他,，我們確實(shí)沒有這方面的數(shù)據(jù),。這只是一款相當(dāng)新的普通的運(yùn)算放大器，并沒有想要成為低偏置或低漂移領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者,。因此,，不是我們吹牛，這種器件沒有任何風(fēng)險(xiǎn),。不過客戶卻并不滿意,。
“為什么你們沒有關(guān)于這方面的完整信息呢?”我試著解釋道，我們沒有余力收集每種小產(chǎn)品的這類數(shù)據(jù),，沒有余力收集和分析數(shù)據(jù),，也承受不起為此而延誤產(chǎn)品上市的責(zé)任。即使我們馬上發(fā)布這些數(shù)據(jù),，然后再更新數(shù)據(jù)手冊，用戶如果看了最初的數(shù)據(jù)手冊還是會問這個同樣的問題,。
進(jìn)行正確的研究所需要的人力,、工程量和技術(shù)人員工作量將非常大。很少有客戶有如此迫切的要求，值得我們?nèi)ナ占@樣的數(shù)據(jù),。一般情況下,，如果我們采用這種工藝在以前的電路上獲得了比較好的數(shù)據(jù)，那么變化就相當(dāng)小,，例如布線或電流大小的微小變化,，或者輸出級的變化，這里,，我們假設(shè)新器件將與舊器件非常相似,。
現(xiàn)在，我們進(jìn)行一項(xiàng)小的漂移測試,，目的只是為了確保不會出什么問題,。例如，我們將加載三塊電路板,，每塊板有30個器件,，目的是看看電路板是否達(dá)到預(yù)期的性能。我們將比較高溫工作前后1000小時(shí)的數(shù)據(jù),。我們可以將其中一塊電路板放到烤箱中,，然后收集2000小時(shí)的數(shù)據(jù)。但是這種測試一般都是一個無聊的過場,。當(dāng)我們做完所有的操作后,，也沒有什么值得夸耀的。除了“合格”之外,，沒有什么可以寫到報(bào)告中的,。
打電話詢問的客人仍然不滿意?！昂玫?，那么我會仔細(xì)查一下，問問你們的競爭對手他們的長期漂移是多少,，”他說道,。這樣我就回復(fù)，“請便”,，然后開始告訴他我們的一些競爭對手的電話號碼,。不過我后來停頓了一下，告訴他：“但他們將會告訴你同樣的故事,。他們也沒有余力對推出的每一個良好的電路進(jìn)行精確的壽命測試,。”
我們在什么情況下需要進(jìn)行大量的測試和數(shù)據(jù)記錄呢?當(dāng)我們采用一種新工藝或者新電路,，并且這種工藝或電路有望提供優(yōu)越的性能時(shí),。新型低漂移運(yùn)算放大器?當(dāng)然,。當(dāng)幾年前國家半導(dǎo)體推出新型斬波穩(wěn)定放大器時(shí)，我們進(jìn)行了所有類型的壽命測試,，以確保不會出現(xiàn)任何不穩(wěn)定的產(chǎn)品,。在不存在任何不穩(wěn)定的放大器的情況下，一個好放大器的標(biāo)準(zhǔn)又是怎樣的呢?我們進(jìn)行了大量挑剔的測試來分析足夠多的數(shù)據(jù),，從而確定了“0.006μV/月”的典型漂移率(例如LMP2012),。
一年或者兩年內(nèi)你期望看到的漂移是多少?根據(jù)我們的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則是“如果時(shí)間為N ×1000小時(shí)，我們預(yù)期的漂移為n = √N(yùn),?！边@往往會讓客戶高興，也會讓他們沒什么可說的了,。因?yàn)椋?,、這個規(guī)則往往是事實(shí)，或者接近事實(shí);2,、如果客戶想獲得數(shù)據(jù),，這對于他來說工作量將相當(dāng)大!這樣，他往往不會很快就再提出問題,。例如,，如果時(shí)間為兩年(即16,000小時(shí))的話，漂移可以用√16 = 4來估計(jì),。
LM199AH電壓參考
當(dāng)38年前發(fā)布新型LM199AH時(shí),，該器件是采用新工藝設(shè)計(jì)的一個新電路，旨在消除引起長期漂移的所有可能的原因,。其輸出容差為±3%,，但每1000小時(shí)的長期穩(wěn)定性典型值為0.0020%，即20ppm,。我們進(jìn)行了大量的初步測試,，以篩選出不穩(wěn)定的器件，然后放進(jìn)比較電路中,，這樣我們就可以使用一個出色的六位數(shù)字電壓表(DVM)來比較多個電壓參考源(比如溫控標(biāo)準(zhǔn)電池,、溫控帶隙電壓參考和其它多個相當(dāng)不錯的齊納二極管)。
通過采用多個電壓參考,，我們可以避免所有被測器件(DUT)看起來像在相同的時(shí)間產(chǎn)生漂移的情況,。這種問題是由于所有待測器件發(fā)生漂移引起的嗎?不，因?yàn)槠渌妷簠⒖荚谙嗤臅r(shí)間表現(xiàn)出了同樣的衰退,，這意味著問題在于數(shù)字電壓表的電壓參考,。這種影響可以“去掉”，至少可以忽略不計(jì),。有一天我心血來潮,，拿出一堆LM199AH,，并將它們以四個為一組焊接在一起，用小電阻(499Ω)取其輸出的平均值,。該輸出好像噪聲更小，漂移更低,。于是我們再做一次測試,。很快我找到了四組四個為一組的LM199AH。
我把八個LM199的平均輸出與另外八個LM199的平均輸出進(jìn)行了比較,，結(jié)果確實(shí)很好!有些測試顯示有限帶寬(4Hz)下的噪聲不到2μVpp,。如果我取16個LM199的平均輸出，輸出噪聲可能會更小!大多數(shù)用戶都不需要這么低的噪聲,，但是通過對幾個電路進(jìn)行平均,，就可以使噪聲成平方根下降，直到你用完力氣,、空間和電源為止,。以上就是4~20mA的電流源的電流范圍的判定方法。