如何判定4～20mA器件的電流范圍？

　　大約30年前，有人告訴我他有一個(gè)4~20mA的電流源。他想判斷電流是否超出范圍，或者電線(xiàn)是否已斷掉！但是沒(méi)有人知道該如何檢測這一點(diǎn)。如果你想接受一項艱巨挑戰的話(huà)，只需要告訴我，這是一個(gè)模擬功能，而且沒(méi)人知道該如何來(lái)進(jìn)行檢測。因此我開(kāi)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(diǎn)該多好，那樣就能夠說(shuō)明這是一個(gè)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(gè)電壓基準和一個(gè)功率放大器。當然我會(huì )構建一個(gè)有效的電路，在電流過(guò)小的時(shí)候檢測和發(fā)送錯誤信息。后來(lái)我經(jīng)過(guò)繪制電路圖和反復修改，構建了一個(gè)有用的電路?？蛻?hù)也認為這個(gè)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(gè)電路作為一種“設計思路”向該雜志投了稿。因此這本雜志發(fā)表了這個(gè)電路。大約三個(gè)月后，我們收到了一封令人愉快的來(lái)信，讀者對這個(gè)小電路展現出了這份雜志從未經(jīng)歷過(guò)的前所未有的興趣。嗯，我猜是這樣。

　　現在，LM10仍在生產(chǎn)和銷(xiāo)售，不過(guò)價(jià)格卻高達2.30美元，比起這樣一種簡(jiǎn)單功能的實(shí)際價(jià)值，這個(gè)價(jià)格顯然有點(diǎn)高。當我們拿到價(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(gè)器件應該也能做到這一點(diǎn)”。 LM4041-ADJ具有一個(gè)小增益級和一個(gè)1.2V的電壓參考，因此它可以實(shí)現這些功能（請參見(jiàn)圖）。

　　圖中的LM4041-ADJ可用來(lái)實(shí)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(chǎn)生一個(gè)在下降到接近于“地電位”時(shí)能被檢出的小標志。LM4041-ADJ可以通過(guò)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(huì )關(guān)斷光耦。即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路也可以實(shí)現非常有用的功能。你沒(méi)有必要去找一本30年的雜志。

　　如果你想檢查這個(gè)電路開(kāi)關(guān)和檢測的實(shí)際電平，你可能要將一個(gè)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(huì )發(fā)現閾值是正確的。如果想獲得優(yōu)于2%的精度，可以進(jìn)行微調。

　　我曾經(jīng)在Teledyne公司工作過(guò)，如果你懂希臘語(yǔ)，你會(huì )發(fā)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(gè)電路也可以產(chǎn)生一個(gè)較小的力。沒(méi)有電的連接。因此隔離并不會(huì )造成精度低或者費用高。

　　什么時(shí)候需要測試長(cháng)期穩定性？

　　幾年以前，有一個(gè)朋友打電話(huà)問(wèn)我有關(guān)一款新型NSC放大器的問(wèn)題：“您有關(guān)于這款運算放大器長(cháng)期穩定性的數據嗎？”我甚至沒(méi)有查看資料就告訴他，我們確實(shí)沒(méi)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(méi)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(méi)有任何風(fēng)險。不過(guò)客戶(hù)卻并不滿(mǎn)意。

　　“為什么你們沒(méi)有關(guān)于這方面的完整信息呢？”我試著(zhù)解釋道，我們沒(méi)有余力收集每種小產(chǎn)品的這類(lèi)數據，沒(méi)有余力收集和分析數據，也承受不起為此而延誤產(chǎn)品上市的責任。即使我們馬上發(fā)布這些數據，然后再更新數據手冊，用戶(hù)如果看了最初的數據手冊還是會(huì )問(wèn)這個(gè)同樣的問(wèn)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(hù)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(xiàn)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(jìn)行一項小的漂移測試，目的只是為了確保不會(huì )出什么問(wèn)題。例如，我們將加載三塊電路板，每塊板有30個(gè)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(shí)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(shí)的數據。但是這種測試一般都是一個(gè)無(wú)聊的過(guò)場(chǎng)。當我們做完所有的操作后，也沒(méi)有什么值得夸耀的。除了“合格”之外，沒(méi)有什么可以寫(xiě)到報告中的。

　　打電話(huà)詢(xún)問(wèn)的客人仍然不滿(mǎn)意?！昂玫?，那么我會(huì )仔細查一下，問(wèn)問(wèn)你們的競爭對手他們的長(cháng)期漂移是多少，”他說(shuō)道。這樣我就回復，“請便”，然后開(kāi)始告訴他我們的一些競爭對手的電話(huà)號碼。不過(guò)我后來(lái)停頓了一下，告訴他：“但他們將會(huì )告訴你同樣的故事。他們也沒(méi)有余力對推出的每一個(gè)良好的電路進(jìn)行精確的壽命測試?！?/P>

　　我們在什么情況下需要進(jìn)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(yōu)越的性能時(shí)。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(shí)，我們進(jìn)行了所有類(lèi)型的壽命測試，以確保不會(huì )出現任何不穩定的產(chǎn)品。在不存在任何不穩定的放大器的情況下，一個(gè)好放大器的標準又是怎樣的呢？我們進(jìn)行了大量挑剔的測試來(lái)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(shí)間為N ×1000小時(shí)，我們預期的漂移為n = radic;N?！边@往往會(huì )讓客戶(hù)高興，也會(huì )讓他們沒(méi)什么可說(shuō)的了。因為：1、這個(gè)規則往往是事實(shí)，或者接近事實(shí)；2、如果客戶(hù)想獲得數據，這對于他來(lái)說(shuō)工作量將相當大！這樣，他往往不會(huì )很快就再提出問(wèn)題。例如，如果時(shí)間為兩年（即16，000小時(shí)）的話(huà)，漂移可以用√16 = 4來(lái)估計。

　　LM199AH電壓參考

　　當38年前發(fā)布新型LM199AH時(shí)，該器件是采用新工藝設計的一個(gè)新電路，旨在消除引起長(cháng)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(cháng)期穩定性典型值為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(gè)出色的六位數字電壓表（DVM）來(lái)比較多個(gè)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(gè)相當不錯的齊納二極管）。

　　通過(guò)采用多個(gè)電壓參考，我們可以避免所有被測器件（DUT）看起來(lái)像在相同的時(shí)間產(chǎn)生漂移的情況。這種問(wèn)題是由于所有待測器件發(fā)生漂移引起的嗎？不，因為其它電壓參考在相同的時(shí)間表現出了同樣的衰退，這意味著(zhù)問(wèn)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(lái)潮，拿出一堆LM199AH，并將它們以四個(gè)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(gè)為一組的LM199AH。

　　我把八個(gè)LM199的平均輸出與另外八個(gè)LM199的平均輸出進(jìn)行了比較，結果確實(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(gè)LM199的平均輸出，輸出噪聲可能會(huì )更??！大多數用戶(hù)都不需要這么低的噪聲，但是通過(guò)對幾個(gè)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。

　　作者：Bob Pease

　　模擬設計師Bob Pease是硅谷的傳奇之一。20多年前，他就在《Electronic Design》開(kāi)辟了專(zhuān)欄，哪怕是在他出國到喜馬拉雅跋山涉水的時(shí)候，也會(huì )堅持發(fā)布專(zhuān)欄文章，這些文章也毫無(wú)疑問(wèn)地成為了每期最受歡迎的內容。專(zhuān)欄的內容相當全面，可以討論電流源和古老的電子管放大器，也可以討論他的肥胖。他的觀(guān)點(diǎn)鮮明，但溝通起來(lái)卻很有幽默感，無(wú)論你是否同意他的觀(guān)點(diǎn)，都會(huì )喜歡上他這個(gè)人。不久前，這位71歲的老人因為車(chē)禍不幸遇難。