ZHCAAR8B March 2018 – February 2023 INA333 , INA818 , INA819 , INA823 , INA826 , INA828 , OPA187 , OPA189 , OPA196 , OPA2189 , OPA325 , OPA388 , OPA391 , OPA4189 , PGA309 , XTR111 , XTR115 , XTR116 , XTR300
1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)
引言
壓力變送器用于在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)重量、液位、力和流量。設(shè)計(jì)壓力變送器時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)是非線性和溫度依賴(lài)性。克服這些挑戰(zhàn)需要正確實(shí)現(xiàn)合適的運(yùn)算放大器（op amp）并深入了解運(yùn)算放大器的精度、電壓范圍和驅(qū)動(dòng)特性。
壓力傳感器
壓力變送器應(yīng)用中使用的四種最常見(jiàn)的壓力傳感器類(lèi)型為：電阻式、電容式、硅和線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT），其中電阻式應(yīng)變計(jì)最為常見(jiàn)。這四種類(lèi)型在壓力變送器信號(hào)鏈中均使用類(lèi)似的路徑。#X1799 展示了典型壓力變送器信號(hào)路徑的方框圖。
圖 1-1 常見(jiàn)壓力變送器方框圖
不同的傳感器和接口需要不同的器件實(shí)現(xiàn)。
- 儀表放大器（也稱(chēng)為 INA）用于在存在較大或嘈雜的共模信號(hào)時(shí)放大小的差分信號(hào)
- 可編程增益放大器（也稱(chēng)為 PGA）可使用可選擇的增益步長(zhǎng)提供更高的增益精度
- 電容式、LVDT 和硅傳感器需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器放大器，以提供傳感器捕獲壓力或位移變化所需的勵(lì)磁。
- 電壓至電流 (V/I) 轉(zhuǎn)換器用于與常用 4-20mA 電流環(huán)路相連接。
儀表放大器
由于傳感器信號(hào)通常非常小，且通常在很低的單毫伏范圍內(nèi)，所以在數(shù)字轉(zhuǎn)換之前，來(lái)自檢測(cè)元件的輸出信號(hào)需要放大。儀表放大器為差分信號(hào)提供必需的放大，同時(shí)提供低噪聲和良好的共模信號(hào)抑制。
帶有超 β 輸入晶體管的 INA819 儀表放大器提供超低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、噪聲和輸入偏置電流，有助于在連接檢測(cè)元件時(shí)保持信號(hào)精度。此外，該放大器具有寬電源電壓范圍（4.5V 至 36V）和在電源電壓的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展高達(dá) 60V 的輸入過(guò)壓保護(hù)，因而可以支持各種檢測(cè)元件。
可編程增益放大器
檢測(cè)元件通常會(huì)隨著溫度和壓力的變化輸出非線性信號(hào)?？梢允褂脦в芯€性化電路的可編程增益放大器（例如，PGA309）來(lái)調(diào)節(jié)非線性。PGA309 是一款專(zhuān)為橋式傳感器設(shè)計(jì)的可編程模擬信號(hào)調(diào)節(jié)器。PGA309 的輸出足以驅(qū)動(dòng)任何 5V 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。任何更高電壓的 ADC 必須由低噪聲、低失調(diào)電壓和低漂移運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，以便擴(kuò)展輸出信號(hào)和使用 ADC 的全動(dòng)態(tài)范圍。OPA189 具有高達(dá) 36V 的寬電壓范圍、零漂移和低噪聲 (5.8nV/√Hz) 性能，是一個(gè)不錯(cuò)的緩沖放大器選擇。
驅(qū)動(dòng)器放大器
電容式、LVDT 和硅檢測(cè)元件需要通過(guò)具有足夠驅(qū)動(dòng)特性的運(yùn)算放大器來(lái)勵(lì)磁，以使檢測(cè)元件能夠捕捉壓力和位移的微小變化。這些運(yùn)算放大器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)是輸出電流和容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)。OPA196 運(yùn)算放大器提供足夠的輸出電流 (65mA) 和高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng) (1nF) 能力，使該器件成為此應(yīng)用的一個(gè)很好選擇。
| INA/PGA | 主要優(yōu)勢(shì) |
|---|---|
| INA819 | 具有輸入過(guò)壓保護(hù)功能的寬電源電壓范圍（4.5V 至 36V）、高精度（35μV，0.4μV/°C）、低噪聲 (8nV/√Hz) 儀表放大器 |
| INA823 | 具有輸入過(guò)壓保護(hù)功能和低于地電平輸入范圍的低功耗 (180μA)、寬電源電壓范圍（2.7V 至 36V）、精密 (100μV) 儀表放大器。 |
| INA333 | 超低功耗（50μA）、高精度（25μV，0.1μV/°C）、零漂移儀表放大器 |
| PGA309 | 可編程增益放大器提供設(shè)計(jì)多功能性，同時(shí)通過(guò)高度集成的線性化電路、故障監(jiān)控和數(shù)字溫度補(bǔ)償來(lái)減輕壓力和溫度的非線性。 |
| ADC 緩沖器 | 主要優(yōu)勢(shì) |
|---|---|
| OPA2182 | 業(yè)界先進(jìn)的高精度（0.012μV/°C，最大 4μV）、低噪聲（5.7nV/√Hz）、零漂移運(yùn)算放大器，帶支持多路復(fù)用器的輸入 |
| OPA210 | 超低噪聲 (2.2nV/√Hz)、寬帶寬 (14MHz)、高精度、超 β 運(yùn)算放大器 |
| THP210 | 高精度（40μV，0.1μV/°C）、高電壓（36V）、低噪聲（3.7nV/√Hz）、全差分放大器和 ADC 驅(qū)動(dòng)器 |
| 驅(qū)動(dòng)器放大器 | 主要優(yōu)勢(shì) |
|---|---|
| OPA202 | 低噪聲（0.2μVPP，9nV/√Hz）、高容性驅(qū)動(dòng) (25nF)、超 β、精密運(yùn)算放大器 |
| OPA196 | 高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng) (1nF) 和高輸出電流 (65mA) 可實(shí)現(xiàn)電容式傳感器勵(lì)磁。 |
器件選擇
| 電壓至電流（集成） | 主要優(yōu)勢(shì) |
|---|---|
| XTR115 XTR116 |
4-20mA 環(huán)路的集成解決方案可實(shí)現(xiàn)低非線性誤差、便利的片上 5V 穩(wěn)壓器和精密 VREF。 |
| XTR111 | 4-20mA 驅(qū)動(dòng)器具有成本效益，可為集成器件提供低非線性、良好精度、寬電源電壓范圍和輸出錯(cuò)誤標(biāo)志。 |
| XTR300XTR305 | 集成 4-20mA 環(huán)路解決方案：輸出可配置為電流或電壓，無(wú)需外部分流電阻器，并提供錯(cuò)誤標(biāo)志和監(jiān)測(cè)故障檢測(cè)引腳（XTR305 是具有成本效益的版本） |
電壓至電流轉(zhuǎn)換器
壓力變送器應(yīng)用中的常見(jiàn)接口是 4-20mA 電流環(huán)路，它使用精密、低功耗運(yùn)算放大器來(lái)根據(jù)電壓范圍創(chuàng)建可測(cè)量的電流范圍。此應(yīng)用中的運(yùn)算放大器的必要條件是低功耗和高精度。OPA391 是一款 e-Trim? 運(yùn)算放大器，具備 45μV 的最大失調(diào)電壓和 24μA 的靜態(tài)電流，因而該器件成為可滿足此類(lèi)要求的理想選擇。
集成解決方案也可以使用 XTR115、XTR300 或 XTR305 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些精密電流輸出轉(zhuǎn)換器旨在提供低電平信號(hào)的信號(hào)調(diào)節(jié)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大、抗噪聲的 4-20mA 傳輸。
溫度、功率和非線性
在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，溫度變化會(huì)影響關(guān)鍵器件規(guī)格（例如輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流）的性能。通過(guò)選擇零漂移運(yùn)算放大器可減輕這種影響。
對(duì)于具有功率限制的應(yīng)用（例如，電池供電傳感器或帶有許多傳感器節(jié)點(diǎn)的 4-20mA 環(huán)路），可以使用保持高精度的低功耗器件。
傳感器輸出隨壓力或溫度產(chǎn)生的非線性可以通過(guò)調(diào)整傳感器的勵(lì)磁來(lái)校正。此功能可通過(guò)數(shù)字處理或集成線性化電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
總結(jié)
壓力變送器中放大器的部署因檢測(cè)元件和接口而異。適當(dāng)?shù)厥褂脙x表放大器、可編程增益放大器和運(yùn)算放大器，可以緩解寬溫度漂移和非線性問(wèn)題。表 1-6 概述了在壓力和現(xiàn)場(chǎng)變送器應(yīng)用中常用的一些器件。
| 媒體 | 標(biāo)題 |
|---|---|
| 技術(shù)指南 | TI Field 變送器解決方案指南 |
| 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào) | 失調(diào)電壓校正方法：激光修整、e-Trim? 和斬波器 |
| 應(yīng)用報(bào)告 | 選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 |
| 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào) | 零漂移放大器：特性和優(yōu)勢(shì)》 |
應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào) |
超 β 輸入放大器：特性和優(yōu)勢(shì)》 |