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STROM-WANDLER-IC
EIGENSCHAFTEN
* Versorgungsspannung: 6...35V * Groer Arbeitstemperaturbereich: -40C...+85C * Einstellbare Referenzspannungsquelle: 4,5 bis 10V * Instrumentenverstarker mit groem Eingangsspannungsbereich * Zusatzliche Spannungs- und Stromquelle * Einstellbare Verstarkung und Offset * Zweidraht-Betrieb: 4...20mA * Dreidraht-Betrieb: 0/4...20mA * Einstellbarer Ausgangsstrombereich * Verpolschutz * Einstellbar: Stromabschaltung bei Uberspannung * Ubertemperaturabschaltung
AM442
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
Der AM442 ist ein monolithisch integrierter Strom-Wandler, welcher speziell fur die Aufbereitung differentieller Bruckensignale entwickelt worden ist. Das IC sowohl fur Zwei- als auch Dreidraht-Anwendungen konzipiert und besteht aus vier Funktionsblocken: Als Eingangsstufe dient ein hochgenauer Instrumentenverstarker (IA). Eine zwischen 4,5 und 10V einstellbare Referenzspannungsquelle steht fur die Versorgung externer Bauteile zur Verfugung, und eine spannungsgesteuerte Ausgangsstufe liefert das Stromsignal. Ein zusatzlicher Operationsverstarker kann als Strom- oder Spannungsquelle beschaltet werden. Der AM442 liefert damit Ausgangsstrome in den gangigen Industriestandards (0/4-20mA, 12 8mA) und ubernimmt die Versorgung externer Systemkomponenten.
ANWENDUNGEN
* * * * Sensorsignalverarbeitung Programmierbare Stromquelle Meumformer Leitungstreiber
LIEFERFORMEN
* DIL16-Gehause * SOP16(n)-Gehause * Dice auf 5" Dehnfolie aufgespannt
BLOCKSCHALTBILD
CVREF 5 CVSET 6 VSET 13 VREF 15
AM442 OP
VBG Spannungsreferenz 1 2
IN+ 9
V
IA
RS+ VCC RS- OUT
3
8 IN- 10 11 12 7 14 GAIN- GAIN GAIN+ SET GND 16 DIS
I
4
Abbildung 1
analog microelectronics
Analog Microelectronics GmbH An der Fahrt 13, D - 55124 Mainz Internet: http://www.analogmicro.de Telefon: +49 (0)6131/91 073 - 0 Telefax: +49 (0)6131/91 073 - 30 E-Mail: info@analogmicro.de
August 2001 1/9 Rev. 2.0
STROM-WANDLER-IC
ELEKTRISCHE SPEZIFIKATIONEN
Tamb = 25C, VCC = 24V, VREF = 5V, IREF = 1mA (unless otherwise noted)
Parameter Voltage Range Quiescent Current Temperature Specifications Operating Storage Junction Thermal Resistance Tamb Tst TJ ja ja Voltage Reference Voltage VREF VREF Trim Range Current VREF vs. Temperature Line Regulation VR10 IREF* dVREF/dT dVREF/dV dVREF/dV Load Regulation dVREF/dI dVREF/dI Load Capacitance Current/Voltage Source Internal Reference VBG vs. Temperature Current Source: ICV = VBG/REXT Adjustable Current Range Output Voltage ICV* VCV VCV Voltage Source: VCV = VBG (REXT1 + REXT2) / REXT2 Adjustable Voltage Range VCV VCV Output Current Load Capacitance SET Stage Internal Gain Input Voltage Offset Voltage VOS vs. Temperature Input Bias Current IB vs. Temperature GSET VSET VOS dVOS/dT IB dIB/dT 0 0.5 1.6 8 7 0.5 ICV* ICV CL VCC < 19V VCC 19V Source Sink Source mode 0 1 0.4 0.4 VCC < 19V VCC 19V 0 VBG VBG VBG dVBG/dT Tamb = - 40...+85C 1.20 1.27 60 CL IREF 5mA 1.9 Tamb = - 40...+85C VCC = 6V...35V VCC = 6V...35V, IREF 5mA VSET not connected VSET = GND, VCC 11V 4.75 9.5 4.5 0 90 30 60 0.05 0.06 2.2 5.00 10.0 DIL16 plastic package SO16 narrow plastic package 70 140 -40 -55 Symbol VCC ICC Tamb = - 40...+85C, IREF = 0mA Conditions Min. 6 Typ.
AM442
Max. 35 1.5
Unit V mA
85 125 150
C C C C/W C/W
5.25 10.5 VR10 10 140 80 150 0.10 0.15 5.0
V V V mA ppm/C ppm/V ppm/V %/mA %/mA F
1.35 140
V ppm/C
10 VCC - 5 14
mA V V
VCC - 5 14 10 -100 10
V V mA A nF
1.15 1.5 5 20 18
V mV V/C nA pA/C
* In 2-wire operation a maximum current of IOUTmin - ICC is valid Currents flowing into the IC are negative
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August 2001 2/9
STROM-WANDLER-IC
Parameter Instrumentation Amplifier Adjustable Gain Differential Input Voltage Range Common Mode Input Range GIA VIN CMIR CMIR Common Mode Rejection Ratio Power Supply Rejection Ratio Offset Voltage VOS vs. Temperature Input Bias Current IB vs. Temperature Input Offset Current IOS vs. Temperature Output Voltage Range FS Load Capacitance V/I Converter Internal Gain Trim Range Voltage Range at R0 FS Offset Voltage VOS vs. Temperature Output Offset Current IOUTOS vs. Temperature Output Offset Current IOUTOS vs. Temperature Output Control Current IOUTC vs. Temperature Output Voltage Range VR0FS VOS dVOS/dT IOUTOS dIOUTOS/dT IOUTOS dIOUTOS/dT IOUTC dIOUTC/dT VOUT VOUT Output Current Range FS Output Resistance Load Capacitance Protection Functions Voltage Limitation at R0 Limitation Switch-Off Temperature Limitation Protection against reverse polarity Current in case of reverse polarity System Parameters Nonlinearity ideal input 0.05 VLIMR0 DIS VLIMR0 TLIMIT Ground vs. VS vs. IOUT Ground = 35V, VS = IOUT = 0 4.5 VR0 = VIN GIA, SET = GND DIS = VREF, SET = GND VIN = 0, VR0 = VSET/2 580 110 580 640 VIN GIA 635 130 IOUTFS ROUT CL GVI adjustable by R0 0.75 400 1.00 1.00 500 2 7 -25 16 9.5 6 6 -10 0 0 20 0.5 0 1.0 CMRR PSRR VOS dVOS/dT IB dIB/dT IOS dIOS/dT VOUTFS CL VOUTFS = VGAIN+ - VGAIN- 400 SET = GND VCC < 9V, ICV < 2mA VCC 9V, ICV < 2mA 1 0 1.5 1.5 80 80 90 90 1 5 8 6 0.2 0.8 500 5 Symbol Conditions Min. Typ.
AM442
Max. Unit
580/GIA VCC - 3 6.0
mV V V dB dB mV V/C
3
20 15
nA pA/C nA pA/C
580 250
mV pF
1.25 580 4 14 -35 26 14 8 8 -15 VCC - 6 12 mV mV V/C A nA/C A nA/C A nA/C V V mA M 500 nF
F 100 F 100
3-wire operation 3-wire operation 2-wire operation 2-wire operation 2-wire operation, VR0/100mV 2-wire operation VOUT = RL IOUT, VCC < 18V VOUT = RL IOUT, VCC 18V IOUT = VR0/R0, 3-wire operation
700 690 150 35
mV mV mV C V mA
0.15
%FS
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August 2001 3/9
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RANDBEDINGUNGEN
Parameter Sense Resistor Symbol R0 R0 Stabilisation Resistor R5 R5 Load Resistance Sum Gain Resistors Sum Offset Resistors VREF Capacitance Output Capacitance D1 Breakdown Voltage T1 Forward Current Gain RL R1 + R2 R3 + R4 C1 C2 VBR only for 2-wire operation Conditions IOUTFS = 20mA c = 20mA/IOUTFS IOUTFS = 20mA c = 20mA/IOUTFS limitation only for 3-wire operation Min. 20 c 20 35 c 35 0 25 20 1.9 90 35 50 2.2 100 50 150 Typ. 25 c 25 40 c 40
AM442
Max. 29 c 29 45 c 45 600 50 200 5.0 250
Unit k k F nF V
F
FUNKTIONSDIAGRAMME
Spannungsreferenz oder Stromquelle
RA
3-Draht-System
VS
V
VIN RIN
IA
IOUT
RB
I
RL
Ground
Abbildung 2
Spannungsreferenz oder Stromquelle
RA
2-Draht-System
VS
V
VIN RIN
IA
IOUT
RB
I
RL
Ground
Abbildung 3
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STROM-WANDLER-IC
FUNKTIONSBESCHREIBUNG
AM442
Der AM442 ist ein monolithisch integrierter Strom-Wandler, welcher speziell fur die Aufbereitung differentieller Bruckensignale entwickelt worden ist. Uber die Variation einiger weniger externer Bauteile kann der Ausgangsstrom in einem weiten Bereich eingestellt werden. Zusatzlich zu den Widerstanden R0 - R5 und der Kapazitat C1 (C2) werden nur noch ein externer Ausgangstransistor T1 und eine Diode D1 benotigt (siehe Abbildung 8 und Abbildung 9). Der externe Transistor verringert die Verlustleistung des ICs, und die Diode gewahrleistet den Verpolschutz dieses Transistors. Fur die Auswahl des Transistors und der Diode mu die maximale Verlustleistung der Bauteile beachtet werden. Typische Werte fur die externen Komponenten finden sich in den nachfolgenden Anwendungsbeschreibungen. Prinzipiell konnen mit dem AM442 Zwei- oder Dreidraht-Systeme fur industrielle Anwendungen realisiert werden. Eine schematische Skizze fur das Dreidraht-System ist in Abbildung 2 aufgezeigt. Die differentielle Eingangsspannung VIN ist hierbei durch einen variablen Widerstand dargestellt. Der externe Referenzpunkt Ground ist identisch mit der IC-Masse (GND) und die Versorgungsspannung des ICs entspricht der Versorgungsspannung des Systems: VCC = VS. Im Gegensatz dazu wird im Zweidraht-Betrieb (Abbildung 3) der IC-Masse (GND) zwischen den Widerstanden R5 und RL angeschlossen. In diesem Fall hangt die Versorgungsspannung des ICs VCC von der Versorgungsspannung des Systems VS und dem Wert des Lastwiderstands RL ab und kann berechnet werden mit: VCC = VS - I OUT RL Im Wesentlichen besteht der AM442 aus 4 Funktionsblocken (siehe Abbildung 1): 1. Der hochgenaue Instrumentenverstarker als Eingangsstufe gestattet aufgrund seiner einstellbaren Verstarkung Anwendungen fur eine Vielzahl von Eingangssignalen und Sensoren. Die Verstarkung GIA wird uber zwei externe Widerstande R1 und R2 eingestellt. Fur die Auswahl der Widerstande mu die in den Randbedingungen angegebene Summe R1 + R2 eingehalten werden. Bei der Beschaltung des Instrumentenverstarkers mu auf die korrekte Polaritat des Eingangssignals geachtet werden. 1. Am spannungsgesteuerte StromDIS = VREF IOUT [mA] ausgang kann mit Hilfe der internen Spannungsreferenz uber die 30 externen Widerstande R3 und R4 (siehe die Anwendungsbeschrei20 bungen ab Seite 8) ein Offsetstrom am Ausgang eingestellt werden. Der Ausgangsstrom IOUT wird von 4 DIS nicht kontaktiert einem externen Transistor T1 be0 reitgestellt, der vom Ausgang G VIN [mV] 0 VLIMR0 (OUT) des ICs angesteuert wird. Als besondere Eigenschaft verfugt Abbildung 4 der AM442 wahlweise uber eine Abschaltung des Ausgangsstroms (Disable-Pin DIS). Wird der Disable-Pin DIS mit der Referenzspannung VREF verbunden, wird der Ausgangsstrom bei eingangsseitiger Uberspannung nicht abgeschaltet. Wird der Disable-Pin nicht kontaktiert, ist die Stromabschaltung aktiviert (Abbildung 4). Als weitere Sicherheitsvorkehrung verfugt der AM442 uber eine integrierte
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STROM-WANDLER-IC
AM442
Ubertemperaturabschaltung. Falls das IC sich zu sehr erwarmt, wird der Ausgangsstrom abgeschaltet. 2. Die einstellbare Referenzspannungsquelle (VSET = N.C. oder VSET = GND) steht fur die Spannungsversorgung von Sensoren oder anderen externen Bauteilen zur Verfugung. Uber einen externen Spannungsteiler kann daruber hinaus jeder beliebige Spannungswert zwischen 4,5 und 10V eingestellt werden. Wichtig: Die Kapazitat C1 (Keramik) mu auch dann kontaktiert werden, wenn die Spannungsreferenz nicht benutzt wird. 3. Der zusatzliche Operationsverstarker kann als Strom-/Spannungsquelle fur externe Bauteile benutzt werden Inbetriebnahme des AM442: Fur einen ersten Offset-Abgleich des Ausgangsstroms mu der Eingang kurzgeschlossen werden (VIN = 0). Hierbei ist besonders darauf zu achten, da sich die Eingangspins des Instrumentenverstarkers auf den in den Elektrischen Spezifikationen vorgeschriebenen Spannungspotientialen befinden (Eingangsspannungsbereich). Mit dem Kurzschlu am Eingang ergibt sich ein Ausgangsstrom IOUT = ISET mit I SET (VIN = 0) = VREF R4 2 R0 R3 + R4
Das Einstellen des Ausgangsstrombereichs hangt ab von der Wahl der externen Widerstande R1 und R2. Der maximale Ausgangsstrom wird uber die allgemeine Transferfunktion des ICs definiert. Fur den Ausgangsstrom IOUT ergibt sich: I OUT = VIN GIA + I SET R0
Der Verstarkungsfaktor GIA = 1 + R1 R2 des Instrumentenverstarkers wird von der Eingangsspannung VIN und dem maximalen Ausgangsstrom IOUTmax bestimmt. Die minimalen Versorgungsspannung hangt zum einen vom Wert der Referenzspannung ab. Es gilt: VCC VREF + 1V . Die Wahl der Versorgungsspannung VS hangt auerdem von dem jeweiligen Lastwiderstand RL der Anwendung ab. Die folgende Ungleichung bestimmt die minimale Versorgungsspannung: VS IOUTmax RL +VCCmin . Der resultierende Betriebsbereich ist in Abbildung 5 gezeigt. Beispielrechnungen und typische Werte fur die externen Bauteile finden sich in den Anwendungsbeschreibungen ab Seite 8.
RL [] 600
RL VS - VCCmin IOUTmax
VCCmin = 6V RLmax = 600 IOUTmax = 20mA
300 Arbeitsbereich 0 0 6 12 18 24 35 VS [V]
Abbildung 5
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PINOUT
PIN NAME RS+ VCC RS- OUT CVREF CVSET SET IN- IN+ GAIN- GAIN GAIN+ VSET GND VREF DIS
AM442
BEDEUTUNG Senswiderstand + Versorgungsspannung Senswiderstand - Ausgang Strom-/Spannungsreferenz Einstellen Strom-/Spannungsreferenz Einstellen des Ausgangsoffsetstroms Negativer Eingang Positiver Eingang Einstellen der Verstarkung Einstellen der Verstarkung Einstellen der Verstarkung Wahl der Referenzspannung IC-Masse Ausgang Referenzspannungsquelle Einstellen Ausgangsstufe
RS+ VCC RS- OUT CVREF CVSET SET IN-
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14 13 12 11 10 9
DIS VREF GND VSET GAIN+ GAIN GAIN- IN+
Abbildung 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
LIEFERFORMEN
Der AM442 ist lieferbar als: * 16-Pin-DIL * SO16 (n) (Maximale Verlustleistung PD = 300mW) * Dice auf 5" Dehnfolie aufgespannt
GEHAUSEABMESSUNGEN SO16 (n)
10,06 0,1 1,45 0,1 0,2 0,05 0,2 0,1 0,42 0,07 1,27 0,635 0,3 0-10 6,2 0,2 4,0 + 0,2 - 0,1
2,00
16
1
8
Abbildung 7
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TYPISCHE DREIDRAHT-ANWENDUNG (0-20mA)
C1 5 13 15 RREF
AM442
AM442
6 RSET VBG 9 VIN 8 14 10 11 R2 12 R1 7 VS
OP
Spannungsreferenz 1 2
V
IA
R0
3
I
16
4
T1 D1 R5 IOUT RL Ground
Abbildung 8 Im Dreidraht-Betrieb mu Pin 2 (VCC) mit Pin 1 (RS+) und die IC-Masse 14 (GND) mit Ground verbunden werden. In der vorliegenden Anwendung (Abbildung 8) ist der Ausgang so eingestellt, da der Ausgangsstrom bei Uberspannung am Eingang nicht abgeschaltet wird (DIS = VREF). Die Verstarkung GIA wird uber die externen Widerstande R1 und R2 eingestellt und ergibt sich zu GIA = 1 + R1 R2 R1 R2 = GIA - 1 In einer Anwendung 0-20mA wird der Strom ISET zu Null gesetzt (ISET = GND). Die Transferfunktion fur den Ausgangsstrom IOUT lautet dann I OUT = VIN G IA R0 + I SET = VIN G IA R0 Die Versorgungsspannung VS mu unter Berucksichtigung des Lastwiderstandes RL gewahlt werden: VS IOUTmax RL +6V Die Mebrucke wird von dem zusatzlichen OP mit Strom versorgt. Der Versorgungsstrom IS fur die Sensorbrucke kann uber den Widerstand RSET bestimmt werden V I S = BG RSET Beispiel: Ausgangsstrombereich 0...20mA Fur die Werte der externen Bauteile ergeben sich mit VIN = 0K250 mV , VREF = 5V , GIA = 2 : R0 = 25 R1 = 22k R2 = 22k R5 = 40 RL = 0...600 C1 = 2,2F
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August 2001 8/9
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TYPISCHE ZWEIDRAHT-ANWENDUNG (4-20mA)
C1 5 13 15
AM442
AM442
6 VS
OP
VBG 9 VIN 8 14 10 11 R2 12 R1 R3 R4 7
Spannungsreferenz C2 1 2
V
IA
R0
3
I
16
4
T1 D1 R5 IOUT RL Ground
Abbildung 9 Im Zweidraht-Betrieb mu Pin 2 (VCC) mit Pin 3 (RS-) und IC-Masse 14 (GND, ) mit dem Lastwiderstand RL verbunden werden. In der vorliegenden Anwendung (Abbildung 9) ist der Ausgang so eingestellt, da der Ausgangsstrom bei Uberspannung abgeschaltet wird (DIS nicht kontaktiert). Die Verstarkung GIA wird uber die externen Widerstande R1 und R2 eingestellt und ergibt sich zu GIA = 1 + R1 R2 R1 R2 = GIA - 1 Die Transferfunktion fur den Ausgangsstrom IOUT lautet I OUT = VIN GIA R0 + I SET mit dem Strom ISET, der uber die externen Widerstande R3 und R4 eingestellt wird. I SET = VREF R4 2 R0 R3 + R4 R3 VREF = -1 R4 2 R0 I SET
Die Versorgungsspannung mu unter Berucksichtigung des Lastwiderstandes RL gewahlt werden: VS IOUTmax RL +6V Beispiel: Ausgangsstrombereich 4...20mA Fur die Werte der externen Bauteile ergeben sich mit VIN = 0K200 mV , VREF = 5V , GIA = 2 : R0 = 25 R1 = 22k R2 = 22k R3 = 100k R4 = 0...5k R5 = 40 RL = 0...500 C1 = 2,2F C2 = 100nF
Analog Microelectronics behalt sich Anderungen von Abmessungen, technischen Daten und sonstigen Angaben ohne vorherige Ankundigung vor.
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