4-20mA电流检测的运放差分输入设计

背景

在这几天的微头条和文章中，我深入分析了4-20mA的运放选型、A/D基准电压对测量精度影响等问题。

其中，我提到，为了提供抗干扰能力，输入至运放的信号需要改为差分输入而不是单端输入。

运放的作用

不少网友提到，既然运放只是用作电压跟随器，没有放大作用，何不省了运放，直接将电压输入至处理器的A/D口。

不经过电压跟随器的检测电路

采用电压跟随器进行信号隔离的检测电路

在我看来，除了没有对信号进行放大之外，运放起到了下述作用：

一、隔离以及阻抗变换

运放具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。

利用这一特点，实现了输入输出的阻抗不会影响输出以及输入信号。

从4-20mA的输入端口往里看，输入阻抗的等效电路如下图：

输入阻抗的等效电路

输入阻抗为：

其中，RIN为负载的输入阻抗，而Ri是4-20mA信号的输入阻抗；

对于直接输入A/D口的电路，RIN为A/D口的输入阻抗；

对于电压跟随器电路，RIN为运放的输入阻抗；

在最近的文章中，我一直强调，不随器件、温度、时间而变化的误差可以通过标定消除。

因此，只需要考虑RIN的变化对Rin产生的变化而导致的误差。

根据下图的运放等效模型，可以算出同相端的共模输入阻抗为。

运放等效模型

在节点1,运用节点电流法，流入节点的所有电路总和为0，有下式成立：

移项化简得到：

得到电流i为：

同相端输入阻抗为：

对于电压跟随器，R1=∞，R2=0得到：

其中rd为开环输入电阻，r0为开环输出电阻，α为开环电压放大倍数；

典型的rd是兆欧级甚至更大，而r0是百欧级。

从规格书上，我们知道：

TLV4333规格书

开环放大倍数α与开环增益AOL的关系为：

，典型值为125892.5412，最大值为3162277.66。

从而运放TLV4333的同相端输入阻抗可以认为无穷大。

而从STM32F103的规格书中，可以查到I/O的输入电流，如下：

输入漏电流

从漏电流可以推算，其输入电阻为MΩ级；

因此，运放的输入电阻远远大于处理器IO口的输入电阻；

因此，处理器I/O口的输入电阻对电流采样电阻的影响也远大于运放的输入电阻。

还需要注意的是，PCB的上面的漏电电阻也是会对精度产生影响的不可忽略的因素；

特别是在潮湿的环境中，而且PCB上堆积了灰尘，其漏电电阻可能低至百K级别。

远小于运放输入电阻，成为影响检测精度的关键因素。

通过增加PCB走线之间的间隙，以及在PCB上喷三防漆，可以有效减少这一影响。

二、滤波抗干扰

通过在运放端并联滤波电容，构成有源低通滤波器，可以有效滤除高频干扰；

另外，在最近的文章中，因为考虑到在信号前级还有一个信号隔离器，所有运放采用了简单的信号单端输入；

其缺点是没办法有效过滤从4-20mA信号的共模信号干扰；

进一步对电路进行改造，如下：

从而将单端输入改为差分输入，格外注意的是，下述电路仅为示意，因不满足隔离以及共模输入电压的要求，并不能实际用于产品中。

在下一篇文章中详细分析参数取值以及抗干扰的原理。

差分输入电路