上海山杰電氣有限公司
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怎樣判定4-20mA電流源的電流范圍?
 

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。如果你想接受一項艱巨挑戰的話,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行檢測。因此我開始設想,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該多好,那樣就能夠說明這是一個非法的狀態。
   我決定采用Bob Widlar的新型LM10,該器件整合了一個電壓基準和一個功率放大器。當然我會構建一個有效的電路,在電流過小的時候檢測和發送錯誤信息。后來我經過繪制電路圖和反復修改,構建了一個有用的電路??蛻粢舱J為這個電路有用。
   由于我們知道,有一本儀器和工業雜志的讀者經常使用“4~20mA”器件,因此我還將這個電路作為一種“設計思路”向該雜志投了稿。因此這本雜志發表了這個電路。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出了這份雜志從未經歷過的前所未有的興趣。嗯,我猜是這樣。
   現在,LM10仍在生產和銷售,不過價格卻高達2.30美元,比起這樣一種簡單功能的實際價值,這個價格顯然有點高。當我們拿到價格比較便宜(批量單價為37美分)的LM4041-ADJ時,我在想,“這個器件應該也能做到這一點”。 LM4041-ADJ具有一個小增益級和一個1.2V的電壓參考,因此它可以實現這些功能(請參見圖)。


實現電流判斷功能

  圖中的LM4041-ADJ可用來實現電流判斷功能。
主要規格

   4N28的增益相當普通(0.1至0.3),但是它能夠產生一個在下降到接近于“地電位”時能被檢出的小標志。LM4041-ADJ可以通過332Ω電阻檢測出4.0mA的電流,然后導通4N28。如果該電流降至3.7mA以下,LM4041就會關斷光耦。即使是一個簡單的電路也可以實現非常有用的功能。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和檢測的實際電平,你可能要將一個小三角波測試儀放在高于和低于3.7mA的已校準電流中。如果輸出占空比正好是50%,你就會發現閾值是正確的。如果想獲得優于2%的精度,可以進行微調。
   我曾經在Teledyne公司工作過,如果你懂希臘語,你會發現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用高。
   什么時候需要測試長期穩定性?
   幾年以前,有一個朋友打電話問我有關一款新型NSC放大器的問題:“您有關于這款運算放大器長期穩定性的數據嗎?”我甚至沒有查看資料就告訴他,我們確實沒有這方面的數據。這只是一款相當新的普通的運算放大器,并沒有想要成為低偏置或低漂移領域的技術領先者。因此,不是我們吹牛,這種器件沒有任何風險。不過客戶卻并不滿意。
   “為什么你們沒有關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品的這類數據,沒有余力收集和分析數據,也承受不起為此而延誤產品上市的責任。即使我們馬上發布這些數據,然后再更新數據手冊,用戶如果看了*初的數據手冊還是會問這個同樣的問題。
   進行正確的研究所需要的人力、工程量和技術人員工作量將非常大。很少有客戶有如此迫切的要求,值得我們去收集這樣的數據。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據,那么變化就相當小,例如布線或電流大小的微小變化,或者輸出級的變化,這里,我們假設新器件將與舊器件非常相似。
   現在,我們進行一項小的漂移測試,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到預期的性能。我們將比較高溫工作前后1000小時的數據。我們可以將其中一塊電路板放到烤箱中,然后收集2000小時的數據。但是這種測試一般都是一個無聊的過場。當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告中的。
   打電話詢問的客人仍然不滿意?!昂玫?,那么我會仔細查一下,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,“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行精確的壽命測試?!?br />    我們在什么情況下需要進行大量的測試和數據記錄呢?當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越的性能時。新型低漂移運算放大器?當然。當幾年前國家半導體推出新型斬波穩定放大器時,我們進行了所有類型的壽命測試,以確保不會出現任何不穩定的產品。在不存在任何不穩定的放大器的情況下,一個好放大器的標準又是怎樣的呢?我們進行了大量挑剔的測試來分析足夠多的數據,從而確定了“0.006μV/月”的典型漂移率(例如LMP2012)。
   一年或者兩年內你期望看到的漂移是多少?根據我們的標準規則是“如果時間為N ×1000小時,我們預期的漂移為n = √N?!边@往往會讓客戶高興,也會讓他們沒什么可說的了。因為:1、這個規則往往是事實,或者接近事實;2、如果客戶想獲得數據,這對于他來說工作量將相當大!這樣,他往往不會很快就再提出問題。例如,如果時間為兩年(即16,000小時)的話,漂移可以用√16 = 4來估計。
   LM199AH電壓參考
   當38年前發布新型LM199AH時,該器件是采用新工藝設計的一個新電路,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小時的長期穩定性典型值為0.0020%,即20ppm。
   我們進行了大量的初步測試,以篩選出不穩定的器件,然后放進比較電路中,這樣我們就可以使用一個出色的六位數字電壓表(DVM)來比較多個電壓參考源(比如溫控標準電池、溫控帶隙電壓參考和其它多個相當不錯的齊納二極管)。
   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間產生漂移的情況。這種問題是由于所有待測器件發生漂移引起的嗎?不,因為其它電壓參考在相同的時間表現出了同樣的衰退,這意味著問題在于數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。
   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的平均輸出進行了比較,結果確實很好!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!大多數用戶都不需要這么低的噪聲,但是通過對幾個電路進行平均,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。

 

具體詳見:直流電源,直流穩壓源,直流開關電源,高壓直流電源,可調直流電源

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