1V에서 5V 신호를 4~20mA 출력으로 변환하기

1V에서 5V 신호를 4~20mA 출력으로 변환하기

2012년06월21일 | Thomas Mosteller

글/ 토마스 모스텔러(Thomas Mosteller), 리니어 테크놀로지

4~20mA 전류 루프가 사라지리라는 오래된 예상에도 불구하고 이 아날로그 인터페이스는 여전히 전류 루프 소스와 감지 회로를 연결하는 가장 일반적인 방법이다. 이 인터페이스는 1V에서 5V 전압을 4~20mA 출력으로 변환할 필요가 있다. 엄격한 정밀도 요구치는 설계 목표를 준수하기 위해 덜 정밀한 기기의 초기 오류를 교정시키는 고가의 정밀 저항 또는 트리밍 가변 저항을 필요로 한다.

두 기법은 현재의 표면실장형 자동 테스트 장비 생산 환경에 모두 적합하지 않다. 표면 탑재 패키지에 정밀 저항을 사용하기 어려우며, 트리밍 가변 저항은 사람의 개입을 필요로 하므로 이러한 요구치는 생산 목표와 양립할 수 없다.

리니어 테크놀로지의 LT5400 쿼드 매칭 저항 네트워크는 트림 조정을 필요치 않는 간단한 회로를 사용하여 문제 해결에 도움을 주면서 0.2% 이하의 전체 오류율을 달성한다.(그림 1) 이 회로는 LT5400의 독특한 매칭 특성을 활용하기 위해서 2개의 증폭기 스테이지를 사용한다. 첫째 스테이지는 일반적으로 DAC의 1V~5V 출력을 연산 증폭기 IC1A의 논인버팅 입력에 적용한다. 이 전압은 R1 전류를 FET Q2를 통한 VIN/R1와 동일하게 설정한다. 동일한 전류가 R2를 통해 풀 다운되므로 R2 바닥에서 전압은 24V 루프 서플라이에서 입력 전압을 뺀 값이 된다.

그림 1. 정밀하게 매치된 저항은 정확한 전압-전류 변환을 제공한다.

회로의 이 부분은 R1과 R2 매칭, IC1A 오프셋 전압, Q2 누설의 3가지 주요 오류원을 지닌다. R1과 R2의 정확한 값이 중요하지는 않지만 서로 완전히 매칭되어야 한다. LT5400A 급은 ±0.01% 오류로 이 목적을 달성한다. LT1490A는 0~70°C에서 700μV 이하의 오프셋 전압을 지닌다. 이 전압은 1V 입력 전압에서 0.07% 오류에 기여한다. NDS7002A는 10nA의 누설 전류를 지니지만 일반적으론 이보다 훨씬 낮은 편이다. 이 누설 전류는 0.001%의 오류를 의미한다.

두 번째 스테이지는 Q1을 통해 전류를 끌어올려 R2 전압과 동일한 R3 전압을 유지한다. R2에 걸친 전압이 입력 전압과 동일하므로 Q1을 통한 전류는 입력 전압을 R3로 나눈 값과 정확하게 일치한다. R3에 정밀 250Ω 전류 션트를 사용함으로써 전류는 입력 전압을 정밀하게 따라간다.

두 번째 스테이지의 오류원은 R3 값, IC1B 오프셋 전압, Q1 누설 전류이다. 저항 R3 는 출력 전류를 직접 설정하므로 그 값이 회로 정밀도에 있어 매우 중요하다. 이 회로는 일반적으로 사용되는 250Ω 전류 루프 완성 션트 저항을 활용한다. 그림의 리돈(Riedon) SF-2는 0.1%의 초기 정밀도와 낮은 온도 드리프트를 지닌다. 첫 번째 스테이지에서 오프셋 전압은 불과 0.07% 오류에 기여한다. Q1은 100nA 이하의 누설 전류를 지녀 최대 오류는 0.0025%이다.

전체 출력 오류는 트리밍 없이도 0.2%보다 뛰어나다. 전류 감지 저항 R3가 주요 오류원이다. 만일 비쉐이 PLT 시리즈 같은 더 고품질의 디바이스를 사용한다면 0.1% 정밀도 달성이 가능하다. 전류 루프 출력은 사용시 상당한 스트레스를 받기 쉽다. 출력에서 24V 루프 서플라이와 접지로 가는 다이오드 D1과 D2는 Q1 보호에 도움을 주며, R6는 약간의 절연을 제공한다. R6 값을 높여 더 높은 절연을 달성할 수 있지만 출력에서 컴플라이언스 전압이 발생하는 문제가 있다. 만일 최대 출력 전압 요구치가 10V 이하라면 출력 스트레스로부터 더 큰 절연을 감수하고 R6 값을 100Ω으로 높일 수 있다. 만일 설계의 보호 요구 사항이 높다면 누설에 따른 정밀도 손실을 감수하고 출력에 임계 전압 억제기를 추가할 수 있다.

이 설계는 LT5400 패키지 내 4개의 매칭 저항 중 단지 2개만을 사용한다. 다른 2개의 저항은 정밀 인버터 또는 또 다른 4-20mA 컨버터 같은 회로 기능용으로 사용될 수 있다. 대안으로 다른 저항을 R1과 R2에 병렬로 위치시킬 수 있다. 이 방식은 제곱에 의한 저항의 통계적 오류를 감소시킨다.