基于GMR傳感器的4～20 mA兩線變送器芯片設(shè)計

吳迪等

摘 要： 巨磁電阻（GMR）傳感器具有靈敏度高、線性度好、磁滯小等優(yōu)異的性能，在工業(yè)控制等方面應(yīng)用廣泛。在涉及信號長距離傳輸?shù)膽?yīng)用中，電壓信號容易受線阻影響而衰減，因此通常采用電流環(huán)路傳遞信號。基于GMR傳感器，設(shè)計了一套4～20 mA兩線制電流環(huán)系統(tǒng)，其中包括調(diào)理電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、I/V轉(zhuǎn)換電路三個部分。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，增益可調(diào)，靈敏度高和抗干擾能力強等特點，能夠在400 kHz 的頻率下正常工作，滿足惡劣環(huán)境下應(yīng)用的指標要求。

關(guān)鍵詞： GMR傳感器； 運算放大器； 電流環(huán)； 工業(yè)控制

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0159?04

0 引 言

由于巨磁電阻（GMR）傳感器靈敏度很高、體積很小、非線性度也很低，所以很適合用于檢測工業(yè)中的一些磁場變化，而這些磁場變化量要轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號傳輸?shù)綌?shù)百米之外的控制室或顯示設(shè)備上。電壓信號在遠距離傳輸中很容易受到外界干擾和傳輸線分布電阻的影響，從而使得電壓信號產(chǎn)生失真。而電流信號基本不受這些因素的影響，因此通常將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號進行傳輸。根據(jù)業(yè)界標準，一般采用4～20 mA的電流量來傳輸信號[1?3]。本文基于GMR傳感器，設(shè)計了一個4～20 mA兩線制收發(fā)系統(tǒng)，包括檢測端電流變送芯片和接收控制端的I/V轉(zhuǎn)換芯片，將GMR傳感器檢測到的磁場信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號，通過數(shù)百米的傳輸，再將4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換為上位機系統(tǒng)容易處理的電壓信號。

1 電路設(shè)計與分析

本文設(shè)計的基于GMR傳感器的4～20 mA兩線電流環(huán)路系統(tǒng)包括檢測端電流變送芯片和接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片。其中，檢測端電流變送芯片由調(diào)理電路和V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片由I/V轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖1所示。

本文分別對此三個電路進行了設(shè)計和仿真。將分別對其進行設(shè)計。

1.1 GMR傳感器模型

GMR傳感器是四個巨磁電阻組成的惠斯通橋構(gòu)成[4]，如圖2（a）所示。其中，兩個被屏蔽的巨磁電阻R1和R2不會受到外部磁場的影響，而未被屏蔽的巨磁電阻R3和R4會在外部磁場變化時產(chǎn)生相應(yīng)的阻值變化，從而將磁場信號轉(zhuǎn)換為差分電壓信號，并通過out1和out2端輸出。為了使仿真結(jié)果更為準確，本文在設(shè)計過程中建立了一個GMR傳感器模型，如圖2（b）所示。該模型采用兩個受控電壓源U1和U2來模擬磁場變化所引起的巨磁電阻R3和R4上的分壓變化，并用兩個理想的電阻來模擬被屏蔽的巨磁電阻R1和R2。

1.2 調(diào)理電路

惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的GMR傳感器存在較強的共模信號，且對輸入阻抗有較高的需求。為了滿足以上需求，并將信號放大到V/I轉(zhuǎn)換電路所能處理的電壓幅度范圍，本文選擇了具有共模抑制比高、線性誤差低、輸入阻抗高等特點的三運放儀表放大器作為調(diào)理電路的主體結(jié)構(gòu)[5?9]。并且，儀表放大器所具備的增益可調(diào)的功能，可以使本系統(tǒng)具有更強的兼容性和適應(yīng)性。

1.3 電壓轉(zhuǎn)電流電路

由于工業(yè)控制環(huán)境往往非常復(fù)雜，存在著各種各樣的電氣設(shè)備和電磁信號，因此在長距離的信號傳輸過程中，電壓信號會受外界干擾以及傳輸線路上電壓降的影響而失真。使用電流信號傳輸模式可以有效地抑制這些干擾。本文設(shè)計的電壓轉(zhuǎn)電流電路，如圖3所示，可以將GMR傳感器的信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標準的4～20 mA的模擬電流信號，進行無衰減傳輸。其中，虛線框中為電壓轉(zhuǎn)電流電路，Rline為傳輸線的線阻，標準雙絞線電阻為7 Ω/100 m，本設(shè)計針對500 m的長距離傳輸設(shè)定Rline=35 Ω。

工業(yè)標準電壓為12～36 V，本文為了降低功耗，通過一個穩(wěn)壓電源[10]將工業(yè)標準電壓轉(zhuǎn)換成一個+5 V的直流電壓，運放AB和A1以及1.2節(jié)所述的儀表運算放大器均在此電源電壓下工作。

圖3中，Vi接受前級儀表運算放大器輸出端的信號。儀表運放根據(jù)GMR傳感器的輸出幅度通過調(diào)節(jié)增益，將輸出信號范圍調(diào)理到0.8～4 V。其中運放AB作為緩沖級，其輸出信號范圍也為0.8～4 V。運放A1，電阻R1～R3以及Q2和Q3組成的達林頓管共同將0.8～4 V電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流。運放A1的反相輸入端接地，從而使其正相輸入端虛地，將電阻R1設(shè)定為20 kΩ，則可將流過R1的電流限制為40～200 μA，R1與R2串聯(lián)，流過R2的電流也為40～200 μA。由于運放A1輸入端的虛地作用，R2和R3可以等效看作是并聯(lián)，則Io與輸入信號之間的關(guān)系如式（1）所示：

[Io=ViR1R2+R3R3] （1）

通過將R2和R3電阻的比值設(shè)定為1∶99，則IO為流過R1電流的100倍，即可得到4～20 mA的電流。由于出于低功耗的考慮，運放驅(qū)動能力較低，該電流由一組達林頓管提供。該模塊中的運放AB和A1均為兩級運放。作為緩沖級的單位增益運放AB需要能夠輸出40～200 μA的電流，或者能夠承受20 kΩ的負載，通過合理設(shè)定AB的中各個管子的寬長比，使其性能達到本設(shè)計的要求。

1.4 電流轉(zhuǎn)電壓電路

在接收端，本設(shè)計通過提取R0兩端的電位，進行差分比較得到兩端的電位差，從而將電流環(huán)路中的4～20 mA電流信號還原成電壓信號[11]，如圖4所示。

本電路即為差分放大電路，輸入與輸出信號的關(guān)系如式（2）所示：

[Vo=R3+R4R3R2R1+R2Vi2-R4R3+R4Vi1] （2）

令R1=R3，R2=R4，式（2）可以簡化為：

[Vo=-R2R1Vi1-Vi2] （3）

通過設(shè)置圖3中的R0可以得到一個合理的電壓差，即Vi2-Vi2，再通過應(yīng)用要求，調(diào)節(jié)圖4中的R1和R2，進而將工業(yè)標準的4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

2 電路仿真結(jié)果及分析

穩(wěn)壓電路將工業(yè)標準電壓轉(zhuǎn)換為5 V低電壓，本設(shè)計的三個主要模塊電路均是在此5 V電壓下工作。對于電壓轉(zhuǎn)電流電路，根據(jù)1.2節(jié)所述，設(shè)定R1=20 kΩ，R2=2.475 kΩ，R3=25 Ω，通過直流掃描，所得輸入/輸出關(guān)系如圖5所示。由圖可見，電流電壓增益為50 mA/V，通過提取本仿真結(jié)果曲線數(shù)據(jù)，分析可得，此電壓轉(zhuǎn)電流電路模塊的非線性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%。

而對于接收模塊電流轉(zhuǎn)電壓電路，通過在電流環(huán)中插入一個100 Ω的電阻，提取兩端電壓做減法即可恢復(fù)電壓信號，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見，GMR傳感器所感應(yīng)到的磁場信號，在轉(zhuǎn)換成電壓信號以后，通過電壓?電流、電流?電壓轉(zhuǎn)換，經(jīng)過了長距離傳輸，基本無干擾的傳到了接收端。

至此，整體電路的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示，仿真頻率為100 kHz，其中圖7（a） GMR傳感器檢測到的磁場信號為差分信號，圖7（b）為轉(zhuǎn)換成的環(huán)路4～20 mA電流，圖7（c）為接收端轉(zhuǎn)換成0.8～4 V的輸出電壓。通過小信號仿真，本設(shè)計可在400 kHz的頻率下正常工作，整體電路符合設(shè)計要求。

3 版圖設(shè)計

根據(jù)版圖設(shè)計的基本原則及設(shè)計規(guī)則，本文完成了整個系統(tǒng)的版圖設(shè)計工作。檢測端版圖和接收端版圖分別如圖8和圖9所示。

4 流片測試

本系統(tǒng)中進行V/I轉(zhuǎn)換的低壓核心部分進行了MPW流片，電源管理電路采用外接方式實現(xiàn)。樣片采用COB封裝并進行測試，圖10所示為封裝后樣片實物圖。

對該芯片進行擺率測試。示波器中測得的結(jié)果如圖11所示。在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為1 V的方波信號的情況下，從示波器中讀出上升沿延時為6 μs，下降沿延時為30 μs。其電壓峰峰值為1.78 V，因此其對應(yīng)的環(huán)路電流的峰峰值為16.03 mA。計算可得本模塊電路的上擺率為2.67 mA/μs，下擺率為0.534 mA/μs。

對該芯片進行瞬態(tài)響應(yīng)測試。示波器中測得的結(jié)果如圖12所示。

在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為3.2 V的正弦信號的情況下，輸出也為正弦電壓波形，波谷電壓為0.44 V，波峰電壓為2.27 V。檢測電阻阻值為111.04 Ω，因此波谷電流3.962 5 mA，波峰電流20.443 1 mA。計算可得該電路的電流增益為103，基本符合設(shè)計指標。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計的4～20 mA兩線變送器芯片其具有結(jié)構(gòu)簡單，增益可調(diào)節(jié)，靈敏度高以及抗干擾能力強等特點。解決了信號在長距離傳輸過程中，電壓信號很容易受到干擾的問題。通過提取直流掃描仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并計算可得到V/I轉(zhuǎn)換電路的非線性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%；在頻率為400 kHz的瞬態(tài)仿真下，V/I轉(zhuǎn)換電路的幅度失調(diào)為0.04%。

本系統(tǒng)的V/I轉(zhuǎn)換核心電路進行了MPW流片，并采用COB封裝進行測試。測試結(jié)果顯示與設(shè)計指標基本相符，可以在長距離信號傳輸中進行基本無失真的信號傳輸。

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