在任何製程控制系統中，感測器發送器會整理從壓力和溫度到流量和位準的資料，並將這些資訊傳遞到可編程邏輯控制器(PLC)或分散式控制系統。這些發送器依賴4mA至20mA訊號將資料傳輸至控制器。儘管有IO-Link和Profibus等標準的出現，4mA至20mA仍可在長距離下提供彈性、可靠性、抗雜訊性，以及與每個PLC系統的通用相容性。
本文將概述4mA至20mA發送器結構、其運作原理以及使用半導體型錄產品實作此發送器類型的替代設計。
4mA至20mA發送器根據電源和電線數量分為四線、三線和雙線。本文將重點介紹雙線類型。
透過連接電場電源和類比輸入模組，雙線現場發送器形成電流迴路。現場發送器中的第一個子系統為感測子系統，其連接至實體感測器，調整輸出，然後將訊號轉換為數位程式碼以進行線性化與校正等處理。第二個子系統為傳輸子系統，其從迴路中擷取電力為發送器供電，並將數位訊號轉換回類比訊號以傳送處理資料，並控制迴路電流。發送器透過在迴路中調節電流來傳輸訊號，並作為電壓受控的電流來源。
4mA至20mA發送器設計考量因素有：低功耗運作、體積小巧、整個工業用溫度範圍均維持準確度和低雜訊、HART通訊協定支援、低成本。
發送器性能指標有幾項需要評估：
迴路合規電壓是發送器正常運作的迴路電壓範圍。主要由LDO限制決定，並受保護裝置等迴路內的串聯元件影響。典型迴路遵循電壓範圍為12V至36V。
解析度是發送器可以產生並直接連結至DAC原生解析度的不同電流輸出值的數量。商業4mA至20mA發送器的解析度介於12位元至16位元之間。
線性誤差主要由DAC的積分非線性決定，也是整個輸出範圍中的最大誤差(以最低有效位元[LSB]為單位)。
雜訊是以輸出雜訊電流的均方根(RMS)測量而得。這種雜訊會使部分輸出位準難以區分，而降低有效解析度。在本情況下，有效解析度是對雜訊性能的測量。對於16位解析度系統，有效解析度預期在13位元和15位元之間，視訊號頻寬而定。
準確度會測量電流輸出與理想電流值的偏差。這包括偏移誤差、增益誤差及非線性誤差的RMS總和，再加上這些數值的溫度漂移。未調整的總誤差表示不準確的程度。
動態性能包括訊號頻寬和發送器穩定性。頻寬是指可在迴路上傳輸的最大電流訊號頻寬。此頻寬是由DAC安定時間和放大器電路頻寬，以及旁路電晶體的轉導決定。使用退化電阻器可消除對電晶體轉導(gm)變化的依賴。放大器電路通常也會在外部補償。穩定性與迴路的頻寬和補償電容器值有關。減少迴路關鍵節點上的電容可確保穩定性。如需迴路穩定性及其需求的詳細分析，請參閱DAC161S997產品規格表。如果發送器支援HART，減少外部元件的頻寬有助於防止HART訊號干擾。
電路保護會保護發送器不發生反向迴路極性和突波事件等異常情況。反向極性由二極體阻斷。如果以反向極性操作發送器，請使用整流器電橋。突波防護需要暫態電壓抑制二極體(例如TVS3301)和被動元件來限制高電壓事件期間的電流。這類保護元件在運作過程中需要一些空餘空間，並會增加最低合規電壓。
專屬迴路轉換器
其中一種方法是將DAC161S997產品規格書等DAC與整合式電壓參考與輸出放大器搭配使用。此解決方案由DAC、寬輸入電壓LDO和NPN電晶體組成。此實作具有130μA電流消耗和優異的精準度，無需校正。DAC161S997具有診斷功能，可在低電源或高電流負載情況下偵測電流迴路錯誤，並傳送低於4mA的錯誤低電流訊號。此設計十分簡單，少數外部零組件即可確保迴路穩定性並限制突波電流。這種方法的最高操作溫度為105°C。
另一種實作使用DAC8551等低功耗DAC，然後使用XTR115等專屬迴路發送器，搭配整合式LDO、電壓參考和輸出放大器。這種方法可將雜訊降至最低，增益誤差低於1%。不過有一些限制：XTR115操作溫度限制在85°C，整合式LDO最高輸入為36V。作為替代品，XTR117採用更小的封裝，靜態電流消耗量更低，並可在高達125°C的溫度下運作。XTR117的整合式LDO運作電壓高達40V。XTR117不會整合電壓參考，所以加上外部參考的話，此解決方案成為三裝置解決方案：LDO、DAC和電壓參考。
具成本效益的應用可採用有類比資源的MCU。MSPM0G MCU可做到發送器階段實作，包括整合式12位元DAC、內部參考和輸出放大器。LDO是唯一需要的外部設備，由於是在MCU的數位程序上實作類比功能，因此比起其專屬類比裝置，這些裝置的耗電量相對較高。對於需要以超低成本達到11位元有效解析度的應用而言，此方法非常具吸引力。若使用VREF–針腳作為內部參考負極針腳，而不是接地接腳，便可改善性能。分離VREF–針腳可從類比參考中隔離出數位雜訊。
較常見的MCU(無整合式DAC)使用方法是依靠脈衝寬度調變(PWM)產生DAC輸出。簡易PWM DAC的解析度為10位元至12位元。不過也可利用更先進的技術，如雙路徑PWM及主動漣波抑制，來實現16位元解析度DAC。為了達到高有效解析度，會使用電壓參考供電邏輯閘來緩衝PWM訊號；MCU需要適當的旁路，以避免數位雜訊注入迴路電流。
使用低功耗獨立式DAC來實現AFE88101等4mA至20mA發送器，可獲得最佳解析度和線性性能。為了進一步降低功率，REF35125等低功率電壓參考可以將電流降至180μA。此外，AFE88101還具備豐富的診斷功能，包括12位元ADC與定義的容錯模式。AFE881H1與AFE88101針腳對針腳相容，並具有精巧型支援HART發送器適用的整合式HART數據機。若啟用HART，AFE881H1的電流消耗較低。HART數據機在運作期間一般消耗10μA，使其成為低功耗、支援HART發送器的首選裝置。AFE88101的另一項功能是與1.8V邏輯的相容性，可允許低電壓數位運作，進一步降低MCU輸入/輸出側的功率，並減少電磁放射。
此選擇程序可協助您在設計4mA至20mA發送器時決定正確的實作：
若您要打造安全系統，且需要最高精度和最低雜訊性能，或是尋求功耗低於200μA且支援HART的發送器，AFE88101和AFE881H1是您的首選。DAC161S997實作提供最低的功耗和占用空間，其次是DAC8311實作，而如果比起功耗更注重性能，則可選擇XTR117實作。若想花費最低的成本，請選擇MSPM0G實作。如果不滿意其性能，下一個成本最佳化的解決方案是PWM解決方案。
