2024年2月18日发(作者：钞诚)
功能框图LOCALOSCILLATORSWITCHEDCURRENTSOURCESANDFILTERINGBANDGAPREFERENCEREF IN2.5VREF OUT11.25VREF
OUT22.5VLVVCCDRIVECOMPBOOSTLOOPRTNC1C2C3COMLATCHCLOCKDATA4016-BITSIGMA-DELTA DAC75k112.5k134k121k80kAD421INPUT
SHIFTREGISTERDAC LATCHPOWER-ONRESET环路供电型4 mA-20 mA
DACAD421特性电流输出4 mA至20 mAHART??兼容型16位分辨率和单调性±0.01积分非线性稳压器输出5 V或3 V2.5 V和1.25 V精密基准电压源静态电流750 ??A最大值可编程报警电流能力灵活的高速串行接口16引脚SOIC和PDIP封装概述AD421是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数字转换器专为满足工业控制领域智能发射器制造商的需求而设计。作为一种完全集成的高精度、低成本解决方案该器件采用紧凑型16引脚封装是以极低成本提高4 mA-20 mA智能发射器分辨率的理想之选。AD421内置一个可选稳压器用于为自身及发射器中的其它器件供电。此稳压器可提供5 V、3.3 V或3 V调节输出电压。该器件还内置有1.25 V和2.5 V精密基准电压源。因此AD421不需要外接独立的稳压器和基准电压源。外部元件只需若干无源元件和一个调整管用于扩充大环路电压范围。AD421可以结合标准HART FSK协议通信电路使用而且额定性能不会受到影响。高速串行接口能够以10 Mbps速率工作并允许通过一个标准三线式串行接口与常用的微处理器和微控制器简单相连。这款DAC采用∑-架构可保证16位单调性且积分非线性为±0.01。该器件提供4 mA零电平输出电流失调误差为±0.1以及20 mA满量程输出电流增益误差为±0.2。AD421提供以下两种封装16引脚、0.3英寸宽、塑料DIP封装和16引脚、0.3英寸宽、SOIC封装。该器件的额定温度范围为-40°C至85°C工业温度范围。HART是HART通信基金会的注册商标。ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性请参考ADI提供的最新英文版数据手册。Rev. CInformation furnished by
Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However no responsibility is
assumed by Analog Devices for its use nor for any infringements of patents or other
rights of third parties that may result from its use. Specications subject to change without
notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights
of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their
respective owners. One Technology Way P.O. Box 9106 Norwood MA 02062-9106
: 781.329.4700 Fax: 781.461.3113 ??2000 Analog Devices
Inc. All rights reserved.产品聚焦 1. AD421是一种高性能、低成本的单芯片解决方案可产生4 mA至20 mA信号非常适合工业控制领域智能发射器应用。2. AD421的稳压电源可用于给发射器中的任何其它电路供电。调节输出值能够通过引脚进行选择可以为3 V、3.3 V或5 V。3. AD421的片内基准电压源可以给系统中的其它器件提供精密基准电压。基准电压大小可为1.25 V或2.5 V。4. AD421完全兼容标准HART电路或其它类似的FSK协议。5. 通过添加单个分立晶体管AD421可以在最低VCC 2 V至该调整管的击穿电压范围内工作。6. AD421可将数字数据转换为电流并可保证16位分辨率和单调性。满量程±0.1建立时间通常不超过8 ms。7. AD421具有可编程报警电流功能允许发射器通过发送超量程电流来指示传感器故障。输出特性 电流环路顺从电压3 满量程建立时间 输出阻抗 交流环路电压灵敏度 稳压器 输出电压
VCC 3 V模式 3.3 V模式 5 V模式 外部电流 电压调整率 负载调整率 参数B级2
单位条件/注释 参数B级2 单位条件/注释 AD421–环路供电技术规格使用DN25D1作为调整管如图3所示除非另有说明REF IN REF OUT2TA TMIN至TMAXDAC技术规格除非另有说明VCC 3 V至5 VREF IN REF OUT2TA TMIN至TMAX精度 分辨率 单调性 积分非线性 失调4 mA25°C时4 失调漂移 典型输出误差20 mA
25°C时4 总输出漂移 VCC电源灵敏度 基准电压源 REF OUT2 输出电压 温漂 外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声0.1 Hz–10 Hz REF OUT1 输出电压 温漂
外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声0.1 Hz–10 Hz REF IN 输入电阻 数字输入 VIH逻辑1 VIL逻辑0 IIH IIL 数据编码 数据速率 电源 工作范围 静态电流
VCC 3 V时 VCC 5 V时 2.95至5.05 650 750V最小值至V最大值 ??A最大值 ??A最大值最高可在7 V下工作 475 A典型值 575 A典型值V最小值 V最大值 ms典型值 M典型值 A/V典型值 V最小值/最大值 V最小值/最大值 V最小值/最大值 mA最小值 V/V典型值 V/mA典型值 位 位最小值 FS最大值 FS最大值 ppm FS/°C最大值 FS最大值 ppm FS/°C最大值 nA/mV最大值 V最小值/最大值 ppm/°C最大值 mA最小值 V/V最大值 典型值 V峰峰值典型值 V最小值/最大值 ppm/°C最大值 mA最小值 V/V最大值 典型值 V峰峰值典型值k典型值 V最小值 V最大值 ??A最大值 ??A最大值 Mbps最大值 DN25D击穿电压 0.1建立时间C1 C2 10 nF且C3 3.3 nF 1200 Hz至2200 Hz 3 V标称值。LV引脚连接到VCC 3.3 V标称值。LV引脚通过0.01 F电容连接到VCC 5 V标称值。LV引脚连接到COM 假定环路中的电流为4 mA FS 满量程输出电流 VCC 5 V 包括片内基准电压漂移 VCC 5 V 包括片内基准电压漂移 25 nA/mV典型值 2.5 V标称值 从–40°C到25°C时典型值为20
ppm/°C 从25°C到85°C时典型值为–2.5 ppm/°C 15 V/V典型值 1.25 V标称值且COM连接100 k负载5 从–40°C到25°C时典型值为20 ppm/°C 从25°C到85°C时典型值为2
ppm/°C 15 V/V典型值 VIN VCC VIN 0 V VCC 2 350 8 25 2 2.95/3.05 3.25/3.35
4.95/5.05 3.25 1 15 16 16 ± 0.01 ± 0.1 ± 25 ± 0.2 ± 50 50 2.49/2.51 ± 40 0.5 150 3 6
1.24/1.26 ± 50 0.5 150 3 4 40 0.75 × VCC 0.25 × VCC ± 10 ± 10 二进制 10 注释1DN25D由Supertex Inc.公司提供该公司地址为1350 Bordeaux Drive Sunnyvale CA
94089。2温度范围为–40°C至85°C。3最大电流环路顺从电压取决于调整管的击穿电压对于DN25D电压最大值为350 V。4 VCC 3 V时传递函数通常会出现0.25的负偏移此时在COM和LOOPRTN引脚之间连接一个16 k的电阻将可大致补偿通过偏斜AD421的增益而从5 V移至3 V时 的VCC电源灵敏度。5如果在应用电路中使用了此基准电压源则只需100 k电阻。 规格如有变更恕不另行通知。Rev. 0 Page 2 of 14时序特性1 2 3除非另有说明VCC 3 V至5 VTA TMIN至TMAX参数B级单位条件/注释ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 100 50 50 30 30 0 50 50 50 tCK tCL tCH tDW tDS tDH tLD tLL tLH 数据时钟周期 数据时钟低电平时间 数据时钟高电平时间 数据稳定宽度 数据建立时间 数据保持时间 锁存延迟时间 锁存低电平时间 锁存高电平时间 注释1通过产品初始发布时的特性保证但未经过生产测试。2参见图1和2。3所有输入信号均指定tr
tf 5 ns10至90的VCC并从VIN VIL /2电平起开始计时任何数字输入端的tr和tf均不应超过1 s。规格如有变更恕不另行通知。图1. 串行接口波形正常数据加载图2. 串行接口时序图Rev. 0 Page 3 of 14Rev. 0 Page 4 of 14绝对最大额定值除非另有说
明TA 25°CDRIVE、BOOST、COMP至–0.5 V至VCC 0.5 VLOOP RTN至–2 V至 0.5 V数字输入电压至–0.5 V至VCC 0.5 V工作温度范围 商用B级..............................................................-40℃至85℃存储温度范围..............................................-65℃至150℃结温 ......................................................................................150℃塑料DIP封装功耗...............................................................670 mW θJA热阻.............................................................................116°C/W 引脚温度焊接10秒......................................................260°CSOIC封装功耗.....................................................................450 mW θJA热阻.............................................................................110°C/W 引脚温度焊接 气相60秒.....................................................................215℃ 红外15秒.....................................................................220℃注意超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。这只是额定最值不表示在这些条件下或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下器件能够正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性。引脚配置DIP和SOIC订购指南型号温度范围 封装选项 AD421BN AD421BR AD421BRRL EVAL-AD421EB -40℃至85℃ -40℃至85℃ -40℃至85℃ 评估板 N-16 R-16 R-16卷盘式SOIC N 塑料DIPR SOIC。警告ESD静电放电敏感器件。静电电荷很容易在人体和测试设备上累积可高达4000V并可能在没有察觉的情况下放电。尽管这些器件具有专有ESD保护电路但在遇到高能量静电放电时可能会发生永久性器件损坏。因此建议?扇∈实钡腅SD防范措施以避免器件性能下降或功能丧失。引脚功能描述引脚编号引脚名称功能1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 REF OUT1 REF OUT2 REF IN LV LATCH CLOCK DATA
LOOP RTN COM C3 C2 C1 DRIVE COMP BOOST VCC 数据输入。要载入至AD421输入移位寄存器的数据施加于此输入端。数据在CLOCK输入的上升沿必须有效。环路回流输出。LOOP RTN是电流环路中电流的回流路径。 公共地。这是AD421模拟和数字输入与输出以及稳压器输出的参考电位。滤波电容。请参见C3描述。滤波电容。请参见C3描述。Rev. 0 Page 5 of 14基准电压输出1。此引脚提供1.25 V精密基准电压。其旨在用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT1是可向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出端。如果要求REF OUT 1提供灌电流则应在COM上添加100 k阻性负载。请参见“基准电压源”部分。基准电压输出2。此引脚提供2.5 V精密基准电压。AD421采用自身基准电压源工作时REF OUT2应连接到REF
IN。该引脚还可以用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT2是可向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出端。 调节电压控制输入。LV输入控制伺服放大器的环路增益来设置VCC。通过将LV连接到COM稳压器电压可设置为5 V标称值。如果LV输入通过0.01 F电容连接到VCC则调节电压标称值为3.3 V。而在LV连接到VCC时VCC调节电压的标称值为3 V。基准电压输入。AD421的基准电压施加于此引脚用于设置AD421的量程。为了保证能够正常工作AD421的标称基准电压为2.5
V。此电压输入可以采用外部基准电压源或通过器件自身的REF OUT2电压来施加。DAC锁存输入。逻辑输入。LATCH信号上升沿将串行输入移位寄存器中的数据载入到DAC锁存器从而更新DAC输出。锁存脉冲之间的时钟周期数决定DAC是处于报警
电流模式还是处于正常电流模式。请参见“数字接口”部分。数据时钟输入。DATA输入端上的数据在此CLOCK输入的上升沿逐个输入移位寄存器。此时钟的周期等于输入串行数据比特率。此串行时钟速率最高可达10 MHz。如果LATCH脉冲之间存在16个时钟周期那么DATA输入端上的数据视为正常的4–20 mA数据输入。如果LATCH脉冲之间的时钟周期超过16个则该数据假定为报警电流数据请参见“数字接口”部分。滤波电容。此引脚和COM之间应该连接一个具有低电介质吸收性能的电容陶瓷电容从而实现开关电流源的内部滤波。稳压器环路的输出。DRIVE信号负责控制外部调整管从而建立并维持由LV输入端设定的正确VCC电平同时在环路电流从4 mA设定至20 mA时提供必要的偏置。补偿电容输入。为了让由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路稳定下来需要在COMP和DRIVE之间连接一个电容。此集电极开路引脚可以从环路中吸入必要电流从而使得流入BOOST的电流和流入COM的电流总和等于设定的环路电流。电源。VCC是AD421的电源输入同时还提供由外部调整管驱动的稳压器输出。它可用于实现AD421自身偏置也可用于为智能发射器电路的其余部分供电。LV输入决定标称调节电压输出要么为3 V要么为3.3 V或5 V。此外可以在此引脚上连接独立电源来给AD421供电。VCC应通过一个2.2 F电容去耦合至COM。电路描述AD421设计用于环路供电型4–20 mA智能发射器应用。作为一种远程仪器智能发射器在其获得电源的相同线对上控制电流输出信号。基本而言AD421负责提供智能发射器中的三大主要功能。这些功能分别为负责将微处理器/微控制器的数字数据转换成模拟格式的DAC功能负责设定环路中电流的电流放大器以及负责从环路电源提供稳定工作电压的稳压器。该器件还内置一个高速串行接口、两个缓冲输出基准电压源和一个时钟振荡器电路。下文将详细介绍AD421的不同部分。稳压器稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外部耗尽型FET调整管组成。之所以需要此电路是为了稳定给AD421自身及发射器电路其余部分供电的环路电压。图3显示了AD421的稳压器部分以及VCC 3.3 V时的相关外部电路。图3. 用于提供VCC 3.3 V的AD421稳压器电路LV引脚上的信号通过更改运算放大器反相输入端和VCC引脚之间电阻分压器的增益来选择VCC要稳定的目标电压值。随着LV引脚在COM和VCC之间变化稳压器环路的电压输出标称值会在3
V和5 V之间变化。LV连接到COM时调节电压为5VLV通过一个0.01 F电容连接到VCC时调节电压为3.3V而如果LV连接到VCC则调节电压为3 V。图3所示配置可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱和电压确定的。必须选择Vgso、IDSS和跨?嫉韧獠縁ET的参数以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在VCC至COM的范围上摆动时可以正确控制FET的工作点。选择FET调整管时应注意的主要特性如下表I. FET特性FET类型 IDSS BVDS VPINCHOFF 功耗 N沟道耗尽型 24 mA最小值 VLOOP
– VCC最小值 VCC最大值24 mA × VLOOP – VCC最小值 其中VCC是AD421的工作电压而VLOOP是环路电压。Supertex1公司制造的DN25D FET晶体管满足以上所有针对FET的要求。其它适用晶体管包括ND2020L和ND2410L这两者均由Siliconix公司制造。为了补偿稳压器环路并确保稳定工作需要采用若干外部元件。而连接在VCC引脚与COM引脚之间的电容就是用于稳定稳压器环路的。要为稳压器环路提供其它补偿则应在COMP和DRIVE引脚之间连接一个0.01 F的补偿电容并应在DRIVE和COM之间连接一个由一个1 k电阻和一个1000 pF电容串联构成的外部电路从而稳定由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路。DAC部分AD421内置一个16
位∑-型DAC可将载入输入锁存器的数字信息转换成电流。由于本身可在高分辨率下保持单调性∑-架构特别适合带宽要求相对较低的工业控制环境。AD421可以保证16位水平的单调性。该器件上的∑-型DAC由一个二阶调制器和一个连续时间滤波器组成。来自调制器的单比特码流控制着一个开关电流源。然后该电流源由三个电阻电容滤波器部分进行滤波处理。各滤波器部分的电阻均为片内电阻而电容则是连接在C1–C3引脚上的外部电容。为满足器件上的指定满量程建立时间需要使用具有低电介质吸收性能的电容NPO。这些电容的合适值分别为C1 0.01 F、C2 0.01 F且C3
0.0033 F。电流放大器DAC输出电流驱动第二部分电路即充当电流放大器的一个运算放大器和NPN晶体管用以设定从LOOP RTN引脚流出的电流。图4显示了AD421的电流放大器部分。DAC输出和环路回流之间连接的80 k电阻用作采样电阻来决定电流大小。NPN晶体管的基极驱动电路伺服于通过40 电阻的电压以使其等于80 k电阻两端的电压。Rev. 0 Page 6 of 14图4. 电流放大器图5. 基准电压源部分BOOST引脚通常连接到VCC引脚。随着DAC输入代码在零电平至满量程范围内变化NPN晶体管的输出电流以及总环路电流会在4 mA至20 mA范围内变化。当BOOST和VCC互连时外部FETDN25D必须能够提供4 mA至20 mA这整个范围内的环路电流。数字接口AD421上的数字接口仅由以下三条线组成DATA、CLOCK和LATCH。该接口可直接连接到通用微控制器的串行端口而无需任何外部胶连逻辑。数据以MSB优先方式在CLOCK信号的上升沿载入至输入移位寄存器然后在LATCH信号的上升沿被送入DAC锁存器。串行接口的时序图如图1和图2所示。要载入至AD421输入移位寄存器的数据存在以下两种形式正常的4 mA至20 mA数据或报警电流数据。第一种形式是AD421在其正常的4 mA至20 mA输出范围内工作且这些端点之间分辨率为16位时的情况。而第二种形式则允许用户设定一个此范围之外的电流值作为来自发射器的一条指示表示传感器存在问题。AD421会对自身在LATCH信号之间收到的时钟脉冲进行计数并利用该计数来确定要逐个输入的数据是4mA至20mA数据还是报警电流数据。如果连续的LATCH脉冲之间存在16个上升时钟沿那么载入至输入移位寄存器的数据假定为4 mA至20 mA数据。在LATCH信号的上升沿输入移位寄存器数据以16位并行传输形式被送入DAC锁存器。这种情况下DAC锁存器中的16位数据会设置4mA全0和20mA全1之间的输出电流参见表II。送入AD421的数据应为MSB优先。如果连续的LATCH脉冲之间存在16个以上的时钟脉冲那么载入至输入移位寄存器的数据假定为报警电流数据。这种情况下AD421的移位寄存器接受17位数据。对于串行写操作中存在17个以上时钟的情况例如在来自微控制器串行端口的一个3 × 8位传输中存在24个时钟AD421仅接受串行写操作的最后17位。此串行写操作中传输的数据是LSB靠后例如MSB是在LATCH脉冲之前的第17个上升时钟沿载入的。在LATCH信号的上升沿输入移位寄存器数据以17位并行传输形式被送入DAC锁存器。这种情况下DAC锁存器中的17位数据会设置0mA全0和32mA全1之间的输出电流参见表III。不过实际操作中AD421无法可靠地产生低于3.5 mA或超过24 mA的电流。基准电压源部分AD421内置一个1.21 V片内带隙基准电压源该电压源用作稳压器环路的一部分。带隙基准电压源还可用于产生两个基准电压以供在AD421之外使用。图5显示了AD421的基准电压源部分。REF OUT1引脚提供1.25 V缓冲基准电压可提供最高0.5 mA的外部电流。REF OUT2引脚提供2.5 V基准电压同样可提供0.5 mA的外部电流。要让AD421采用自身的基准电压源来工作只需将器件的REF OUT2引脚
连接到REF IN引脚。另外该器件可以结合外部基准电压源使用方法是将外部基准电压源连接在REF IN和COM之间。在应用电路中使用REF OUT1和REF OUT2时需要在基准电压引脚上连接4.7 F的外部电容以提供补偿并确保基准电压源工作稳定。如果无需内部基准电压源则可以省去这些电容。REF OUT2会受到内部检测如果外部从此基准电压源抽取的电流超过0.5 mA芯片会进入上电复位状态。在这种状态下∑-型DAC禁用、内部振荡器停止且输入数据锁存清零。REF OUT1的吸电流功能有限。如果要求REF OUT1提供吸电流则在4.7 F电容之外还应在COM上连接一个100 k的阻性负载。使用AD421AD421可以设置为正常的4 mA至20 mA工作模式或报警电流工作模式。在正常工作模式下编码为16位直接自然二进制码且输出电流范围为4 mA至20 mA。在报警电流工作模式下编码也为直接二进制码不过在两倍范围0 mA至32
mA分辨率为17位尽管不应设置器件在3.5 mA至24 mA范围之外工作。为了判断写入的数据是正常的4 mA至20 mA数据还是报警电流数据器件会对两个连续LATCH脉冲之间的时钟脉冲进行计.
2024年2月18日发(作者：钞诚)
功能框图LOCALOSCILLATORSWITCHEDCURRENTSOURCESANDFILTERINGBANDGAPREFERENCEREF IN2.5VREF OUT11.25VREF
OUT22.5VLVVCCDRIVECOMPBOOSTLOOPRTNC1C2C3COMLATCHCLOCKDATA4016-BITSIGMA-DELTA DAC75k112.5k134k121k80kAD421INPUT
SHIFTREGISTERDAC LATCHPOWER-ONRESET环路供电型4 mA-20 mA
DACAD421特性电流输出4 mA至20 mAHART??兼容型16位分辨率和单调性±0.01积分非线性稳压器输出5 V或3 V2.5 V和1.25 V精密基准电压源静态电流750 ??A最大值可编程报警电流能力灵活的高速串行接口16引脚SOIC和PDIP封装概述AD421是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数字转换器专为满足工业控制领域智能发射器制造商的需求而设计。作为一种完全集成的高精度、低成本解决方案该器件采用紧凑型16引脚封装是以极低成本提高4 mA-20 mA智能发射器分辨率的理想之选。AD421内置一个可选稳压器用于为自身及发射器中的其它器件供电。此稳压器可提供5 V、3.3 V或3 V调节输出电压。该器件还内置有1.25 V和2.5 V精密基准电压源。因此AD421不需要外接独立的稳压器和基准电压源。外部元件只需若干无源元件和一个调整管用于扩充大环路电压范围。AD421可以结合标准HART FSK协议通信电路使用而且额定性能不会受到影响。高速串行接口能够以10 Mbps速率工作并允许通过一个标准三线式串行接口与常用的微处理器和微控制器简单相连。这款DAC采用∑-架构可保证16位单调性且积分非线性为±0.01。该器件提供4 mA零电平输出电流失调误差为±0.1以及20 mA满量程输出电流增益误差为±0.2。AD421提供以下两种封装16引脚、0.3英寸宽、塑料DIP封装和16引脚、0.3英寸宽、SOIC封装。该器件的额定温度范围为-40°C至85°C工业温度范围。HART是HART通信基金会的注册商标。ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性请参考ADI提供的最新英文版数据手册。Rev. CInformation furnished by
Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However no responsibility is
assumed by Analog Devices for its use nor for any infringements of patents or other
rights of third parties that may result from its use. Specications subject to change without
notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights
of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their
respective owners. One Technology Way P.O. Box 9106 Norwood MA 02062-9106
: 781.329.4700 Fax: 781.461.3113 ??2000 Analog Devices
Inc. All rights reserved.产品聚焦 1. AD421是一种高性能、低成本的单芯片解决方案可产生4 mA至20 mA信号非常适合工业控制领域智能发射器应用。2. AD421的稳压电源可用于给发射器中的任何其它电路供电。调节输出值能够通过引脚进行选择可以为3 V、3.3 V或5 V。3. AD421的片内基准电压源可以给系统中的其它器件提供精密基准电压。基准电压大小可为1.25 V或2.5 V。4. AD421完全兼容标准HART电路或其它类似的FSK协议。5. 通过添加单个分立晶体管AD421可以在最低VCC 2 V至该调整管的击穿电压范围内工作。6. AD421可将数字数据转换为电流并可保证16位分辨率和单调性。满量程±0.1建立时间通常不超过8 ms。7. AD421具有可编程报警电流功能允许发射器通过发送超量程电流来指示传感器故障。输出特性 电流环路顺从电压3 满量程建立时间 输出阻抗 交流环路电压灵敏度 稳压器 输出电压
VCC 3 V模式 3.3 V模式 5 V模式 外部电流 电压调整率 负载调整率 参数B级2
单位条件/注释 参数B级2 单位条件/注释 AD421–环路供电技术规格使用DN25D1作为调整管如图3所示除非另有说明REF IN REF OUT2TA TMIN至TMAXDAC技术规格除非另有说明VCC 3 V至5 VREF IN REF OUT2TA TMIN至TMAX精度 分辨率 单调性 积分非线性 失调4 mA25°C时4 失调漂移 典型输出误差20 mA
25°C时4 总输出漂移 VCC电源灵敏度 基准电压源 REF OUT2 输出电压 温漂 外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声0.1 Hz–10 Hz REF OUT1 输出电压 温漂
外部电流 VCC电源灵敏度 输出阻抗 噪声0.1 Hz–10 Hz REF IN 输入电阻 数字输入 VIH逻辑1 VIL逻辑0 IIH IIL 数据编码 数据速率 电源 工作范围 静态电流
VCC 3 V时 VCC 5 V时 2.95至5.05 650 750V最小值至V最大值 ??A最大值 ??A最大值最高可在7 V下工作 475 A典型值 575 A典型值V最小值 V最大值 ms典型值 M典型值 A/V典型值 V最小值/最大值 V最小值/最大值 V最小值/最大值 mA最小值 V/V典型值 V/mA典型值 位 位最小值 FS最大值 FS最大值 ppm FS/°C最大值 FS最大值 ppm FS/°C最大值 nA/mV最大值 V最小值/最大值 ppm/°C最大值 mA最小值 V/V最大值 典型值 V峰峰值典型值 V最小值/最大值 ppm/°C最大值 mA最小值 V/V最大值 典型值 V峰峰值典型值k典型值 V最小值 V最大值 ??A最大值 ??A最大值 Mbps最大值 DN25D击穿电压 0.1建立时间C1 C2 10 nF且C3 3.3 nF 1200 Hz至2200 Hz 3 V标称值。LV引脚连接到VCC 3.3 V标称值。LV引脚通过0.01 F电容连接到VCC 5 V标称值。LV引脚连接到COM 假定环路中的电流为4 mA FS 满量程输出电流 VCC 5 V 包括片内基准电压漂移 VCC 5 V 包括片内基准电压漂移 25 nA/mV典型值 2.5 V标称值 从–40°C到25°C时典型值为20
ppm/°C 从25°C到85°C时典型值为–2.5 ppm/°C 15 V/V典型值 1.25 V标称值且COM连接100 k负载5 从–40°C到25°C时典型值为20 ppm/°C 从25°C到85°C时典型值为2
ppm/°C 15 V/V典型值 VIN VCC VIN 0 V VCC 2 350 8 25 2 2.95/3.05 3.25/3.35
4.95/5.05 3.25 1 15 16 16 ± 0.01 ± 0.1 ± 25 ± 0.2 ± 50 50 2.49/2.51 ± 40 0.5 150 3 6
1.24/1.26 ± 50 0.5 150 3 4 40 0.75 × VCC 0.25 × VCC ± 10 ± 10 二进制 10 注释1DN25D由Supertex Inc.公司提供该公司地址为1350 Bordeaux Drive Sunnyvale CA
94089。2温度范围为–40°C至85°C。3最大电流环路顺从电压取决于调整管的击穿电压对于DN25D电压最大值为350 V。4 VCC 3 V时传递函数通常会出现0.25的负偏移此时在COM和LOOPRTN引脚之间连接一个16 k的电阻将可大致补偿通过偏斜AD421的增益而从5 V移至3 V时 的VCC电源灵敏度。5如果在应用电路中使用了此基准电压源则只需100 k电阻。 规格如有变更恕不另行通知。Rev. 0 Page 2 of 14时序特性1 2 3除非另有说明VCC 3 V至5 VTA TMIN至TMAX参数B级单位条件/注释ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 ns最小值 100 50 50 30 30 0 50 50 50 tCK tCL tCH tDW tDS tDH tLD tLL tLH 数据时钟周期 数据时钟低电平时间 数据时钟高电平时间 数据稳定宽度 数据建立时间 数据保持时间 锁存延迟时间 锁存低电平时间 锁存高电平时间 注释1通过产品初始发布时的特性保证但未经过生产测试。2参见图1和2。3所有输入信号均指定tr
tf 5 ns10至90的VCC并从VIN VIL /2电平起开始计时任何数字输入端的tr和tf均不应超过1 s。规格如有变更恕不另行通知。图1. 串行接口波形正常数据加载图2. 串行接口时序图Rev. 0 Page 3 of 14Rev. 0 Page 4 of 14绝对最大额定值除非另有说
明TA 25°CDRIVE、BOOST、COMP至–0.5 V至VCC 0.5 VLOOP RTN至–2 V至 0.5 V数字输入电压至–0.5 V至VCC 0.5 V工作温度范围 商用B级..............................................................-40℃至85℃存储温度范围..............................................-65℃至150℃结温 ......................................................................................150℃塑料DIP封装功耗...............................................................670 mW θJA热阻.............................................................................116°C/W 引脚温度焊接10秒......................................................260°CSOIC封装功耗.....................................................................450 mW θJA热阻.............................................................................110°C/W 引脚温度焊接 气相60秒.....................................................................215℃ 红外15秒.....................................................................220℃注意超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。这只是额定最值不表示在这些条件下或者在任何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下器件能够正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性。引脚配置DIP和SOIC订购指南型号温度范围 封装选项 AD421BN AD421BR AD421BRRL EVAL-AD421EB -40℃至85℃ -40℃至85℃ -40℃至85℃ 评估板 N-16 R-16 R-16卷盘式SOIC N 塑料DIPR SOIC。警告ESD静电放电敏感器件。静电电荷很容易在人体和测试设备上累积可高达4000V并可能在没有察觉的情况下放电。尽管这些器件具有专有ESD保护电路但在遇到高能量静电放电时可能会发生永久性器件损坏。因此建议?扇∈实钡腅SD防范措施以避免器件性能下降或功能丧失。引脚功能描述引脚编号引脚名称功能1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 REF OUT1 REF OUT2 REF IN LV LATCH CLOCK DATA
LOOP RTN COM C3 C2 C1 DRIVE COMP BOOST VCC 数据输入。要载入至AD421输入移位寄存器的数据施加于此输入端。数据在CLOCK输入的上升沿必须有效。环路回流输出。LOOP RTN是电流环路中电流的回流路径。 公共地。这是AD421模拟和数字输入与输出以及稳压器输出的参考电位。滤波电容。请参见C3描述。滤波电容。请参见C3描述。Rev. 0 Page 5 of 14基准电压输出1。此引脚提供1.25 V精密基准电压。其旨在用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT1是可向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出端。如果要求REF OUT 1提供灌电流则应在COM上添加100 k阻性负载。请参见“基准电压源”部分。基准电压输出2。此引脚提供2.5 V精密基准电压。AD421采用自身基准电压源工作时REF OUT2应连接到REF
IN。该引脚还可以用作发射器中其它器件的精密基准电压源。REF OUT2是可向外部电路提供高达0.5 mA电流的缓冲输出端。 调节电压控制输入。LV输入控制伺服放大器的环路增益来设置VCC。通过将LV连接到COM稳压器电压可设置为5 V标称值。如果LV输入通过0.01 F电容连接到VCC则调节电压标称值为3.3 V。而在LV连接到VCC时VCC调节电压的标称值为3 V。基准电压输入。AD421的基准电压施加于此引脚用于设置AD421的量程。为了保证能够正常工作AD421的标称基准电压为2.5
V。此电压输入可以采用外部基准电压源或通过器件自身的REF OUT2电压来施加。DAC锁存输入。逻辑输入。LATCH信号上升沿将串行输入移位寄存器中的数据载入到DAC锁存器从而更新DAC输出。锁存脉冲之间的时钟周期数决定DAC是处于报警
电流模式还是处于正常电流模式。请参见“数字接口”部分。数据时钟输入。DATA输入端上的数据在此CLOCK输入的上升沿逐个输入移位寄存器。此时钟的周期等于输入串行数据比特率。此串行时钟速率最高可达10 MHz。如果LATCH脉冲之间存在16个时钟周期那么DATA输入端上的数据视为正常的4–20 mA数据输入。如果LATCH脉冲之间的时钟周期超过16个则该数据假定为报警电流数据请参见“数字接口”部分。滤波电容。此引脚和COM之间应该连接一个具有低电介质吸收性能的电容陶瓷电容从而实现开关电流源的内部滤波。稳压器环路的输出。DRIVE信号负责控制外部调整管从而建立并维持由LV输入端设定的正确VCC电平同时在环路电流从4 mA设定至20 mA时提供必要的偏置。补偿电容输入。为了让由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路稳定下来需要在COMP和DRIVE之间连接一个电容。此集电极开路引脚可以从环路中吸入必要电流从而使得流入BOOST的电流和流入COM的电流总和等于设定的环路电流。电源。VCC是AD421的电源输入同时还提供由外部调整管驱动的稳压器输出。它可用于实现AD421自身偏置也可用于为智能发射器电路的其余部分供电。LV输入决定标称调节电压输出要么为3 V要么为3.3 V或5 V。此外可以在此引脚上连接独立电源来给AD421供电。VCC应通过一个2.2 F电容去耦合至COM。电路描述AD421设计用于环路供电型4–20 mA智能发射器应用。作为一种远程仪器智能发射器在其获得电源的相同线对上控制电流输出信号。基本而言AD421负责提供智能发射器中的三大主要功能。这些功能分别为负责将微处理器/微控制器的数字数据转换成模拟格式的DAC功能负责设定环路中电流的电流放大器以及负责从环路电源提供稳定工作电压的稳压器。该器件还内置一个高速串行接口、两个缓冲输出基准电压源和一个时钟振荡器电路。下文将详细介绍AD421的不同部分。稳压器稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外部耗尽型FET调整管组成。之所以需要此电路是为了稳定给AD421自身及发射器电路其余部分供电的环路电压。图3显示了AD421的稳压器部分以及VCC 3.3 V时的相关外部电路。图3. 用于提供VCC 3.3 V的AD421稳压器电路LV引脚上的信号通过更改运算放大器反相输入端和VCC引脚之间电阻分压器的增益来选择VCC要稳定的目标电压值。随着LV引脚在COM和VCC之间变化稳压器环路的电压输出标称值会在3
V和5 V之间变化。LV连接到COM时调节电压为5VLV通过一个0.01 F电容连接到VCC时调节电压为3.3V而如果LV连接到VCC则调节电压为3 V。图3所示配置可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱和电压确定的。必须选择Vgso、IDSS和跨?嫉韧獠縁ET的参数以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在VCC至COM的范围上摆动时可以正确控制FET的工作点。选择FET调整管时应注意的主要特性如下表I. FET特性FET类型 IDSS BVDS VPINCHOFF 功耗 N沟道耗尽型 24 mA最小值 VLOOP
– VCC最小值 VCC最大值24 mA × VLOOP – VCC最小值 其中VCC是AD421的工作电压而VLOOP是环路电压。Supertex1公司制造的DN25D FET晶体管满足以上所有针对FET的要求。其它适用晶体管包括ND2020L和ND2410L这两者均由Siliconix公司制造。为了补偿稳压器环路并确保稳定工作需要采用若干外部元件。而连接在VCC引脚与COM引脚之间的电容就是用于稳定稳压器环路的。要为稳压器环路提供其它补偿则应在COMP和DRIVE引脚之间连接一个0.01 F的补偿电容并应在DRIVE和COM之间连接一个由一个1 k电阻和一个1000 pF电容串联构成的外部电路从而稳定由稳压器运算放大器和外部调整管构成的反馈环路。DAC部分AD421内置一个16
位∑-型DAC可将载入输入锁存器的数字信息转换成电流。由于本身可在高分辨率下保持单调性∑-架构特别适合带宽要求相对较低的工业控制环境。AD421可以保证16位水平的单调性。该器件上的∑-型DAC由一个二阶调制器和一个连续时间滤波器组成。来自调制器的单比特码流控制着一个开关电流源。然后该电流源由三个电阻电容滤波器部分进行滤波处理。各滤波器部分的电阻均为片内电阻而电容则是连接在C1–C3引脚上的外部电容。为满足器件上的指定满量程建立时间需要使用具有低电介质吸收性能的电容NPO。这些电容的合适值分别为C1 0.01 F、C2 0.01 F且C3
0.0033 F。电流放大器DAC输出电流驱动第二部分电路即充当电流放大器的一个运算放大器和NPN晶体管用以设定从LOOP RTN引脚流出的电流。图4显示了AD421的电流放大器部分。DAC输出和环路回流之间连接的80 k电阻用作采样电阻来决定电流大小。NPN晶体管的基极驱动电路伺服于通过40 电阻的电压以使其等于80 k电阻两端的电压。Rev. 0 Page 6 of 14图4. 电流放大器图5. 基准电压源部分BOOST引脚通常连接到VCC引脚。随着DAC输入代码在零电平至满量程范围内变化NPN晶体管的输出电流以及总环路电流会在4 mA至20 mA范围内变化。当BOOST和VCC互连时外部FETDN25D必须能够提供4 mA至20 mA这整个范围内的环路电流。数字接口AD421上的数字接口仅由以下三条线组成DATA、CLOCK和LATCH。该接口可直接连接到通用微控制器的串行端口而无需任何外部胶连逻辑。数据以MSB优先方式在CLOCK信号的上升沿载入至输入移位寄存器然后在LATCH信号的上升沿被送入DAC锁存器。串行接口的时序图如图1和图2所示。要载入至AD421输入移位寄存器的数据存在以下两种形式正常的4 mA至20 mA数据或报警电流数据。第一种形式是AD421在其正常的4 mA至20 mA输出范围内工作且这些端点之间分辨率为16位时的情况。而第二种形式则允许用户设定一个此范围之外的电流值作为来自发射器的一条指示表示传感器存在问题。AD421会对自身在LATCH信号之间收到的时钟脉冲进行计数并利用该计数来确定要逐个输入的数据是4mA至20mA数据还是报警电流数据。如果连续的LATCH脉冲之间存在16个上升时钟沿那么载入至输入移位寄存器的数据假定为4 mA至20 mA数据。在LATCH信号的上升沿输入移位寄存器数据以16位并行传输形式被送入DAC锁存器。这种情况下DAC锁存器中的16位数据会设置4mA全0和20mA全1之间的输出电流参见表II。送入AD421的数据应为MSB优先。如果连续的LATCH脉冲之间存在16个以上的时钟脉冲那么载入至输入移位寄存器的数据假定为报警电流数据。这种情况下AD421的移位寄存器接受17位数据。对于串行写操作中存在17个以上时钟的情况例如在来自微控制器串行端口的一个3 × 8位传输中存在24个时钟AD421仅接受串行写操作的最后17位。此串行写操作中传输的数据是LSB靠后例如MSB是在LATCH脉冲之前的第17个上升时钟沿载入的。在LATCH信号的上升沿输入移位寄存器数据以17位并行传输形式被送入DAC锁存器。这种情况下DAC锁存器中的17位数据会设置0mA全0和32mA全1之间的输出电流参见表III。不过实际操作中AD421无法可靠地产生低于3.5 mA或超过24 mA的电流。基准电压源部分AD421内置一个1.21 V片内带隙基准电压源该电压源用作稳压器环路的一部分。带隙基准电压源还可用于产生两个基准电压以供在AD421之外使用。图5显示了AD421的基准电压源部分。REF OUT1引脚提供1.25 V缓冲基准电压可提供最高0.5 mA的外部电流。REF OUT2引脚提供2.5 V基准电压同样可提供0.5 mA的外部电流。要让AD421采用自身的基准电压源来工作只需将器件的REF OUT2引脚
连接到REF IN引脚。另外该器件可以结合外部基准电压源使用方法是将外部基准电压源连接在REF IN和COM之间。在应用电路中使用REF OUT1和REF OUT2时需要在基准电压引脚上连接4.7 F的外部电容以提供补偿并确保基准电压源工作稳定。如果无需内部基准电压源则可以省去这些电容。REF OUT2会受到内部检测如果外部从此基准电压源抽取的电流超过0.5 mA芯片会进入上电复位状态。在这种状态下∑-型DAC禁用、内部振荡器停止且输入数据锁存清零。REF OUT1的吸电流功能有限。如果要求REF OUT1提供吸电流则在4.7 F电容之外还应在COM上连接一个100 k的阻性负载。使用AD421AD421可以设置为正常的4 mA至20 mA工作模式或报警电流工作模式。在正常工作模式下编码为16位直接自然二进制码且输出电流范围为4 mA至20 mA。在报警电流工作模式下编码也为直接二进制码不过在两倍范围0 mA至32
mA分辨率为17位尽管不应设置器件在3.5 mA至24 mA范围之外工作。为了判断写入的数据是正常的4 mA至20 mA数据还是报警电流数据器件会对两个连续LATCH脉冲之间的时钟脉冲进行计.