一、概述
XTR111 是德州儀器（TI）針對工業現場數字-模擬信號隔離與遠程傳輸而設計的一款高度集成的 4~20 mA 電流環發射器。它將輸入的直流模擬電壓信號（如 0 ~ 5 V、0 ~ 10 V 或經分壓/放大后的任意線性電壓）精確轉換為線性可編程的 4 ~ 20 mA 電流輸出。芯片內部集成了帶隙基準源、低漂移運算放大器、高壓電流源及誤差檢測反饋環路，能夠在 10 V ~ 36 V 寬電壓范圍內穩定工作，且溫度系數與非線性誤差極小，非常適合壓力、溫度、液位、流量等傳感器信號的遠端傳輸與數字化接口。得益于內部高度集成與優化的電流回路結構，使用 XTR111 可以大幅度簡化傳統由分立運算放大器、電壓參考、電流源等模塊構成的設計方案，并降低系統功耗與 PCB 面積。

二、型號及封裝

• XTR111IDGSR
  SOIC-8 封裝，采用工業級 –40 ℃ ~ 125 ℃ 溫度范圍，適合常規工控板卡，具有優異的散熱性能與引腳間距。

• XTR111IPWR
  VSSOP-8（DGN）超小封裝，節省 PCB 面積，適合緊湊型便攜式設備與多通道集成場景。

• XTR111EVM
  官方評估板，一體化輸入接線端子、采樣電阻與測試點，便于快速搭建驗證環境與實驗測量。

每種封裝均經過高可靠性測試，包括高溫存儲、溫度循環、潮濕氣候與 ESD 抗擾度認證。選型時應綜合考慮環境溫度、散熱需求、PCB 空間與安裝方式等因素。

三、核心特性

1. 高精度帶隙基準源
   XTR111 內置低漂移帶隙參考電壓 2.500 V（典型值），初始精度 ±0.05%，溫度系數 ≤ 5 ppm/℃，為誤差放大器與電流源提供穩定基準，確保全量程輸出一致性。

2. 低漂移運算放大器
   采用超低輸入失調電壓 (< 25 μV)、低噪聲結構，結合內部反饋環路，實現 0 ~ 5 V 到 4 ~ 20 mA 精密線性映射，最大非線性誤差 < 0.02% FS，適合需要高精度測量與控制的工業過程。

3. 寬電源電壓范圍
   支持 10 V ~ 36 V 供電，無需額外升壓或組合電源，直接兼容典型 24 V 工業母線電源；在低電壓環境（如 12 V）下亦能正常輸出完整的 4 ~ 20 mA 電流。

4. 節能低功耗
   常態靜態電流僅 60 μA（典型），最大 100 μA，幾乎不額外消耗環路電源，特別適合多路并聯或總線受限功耗場景。

5. 強抗干擾能力
   內部集成 EMI 濾波與靜電保護，環路輸出端采用高壓晶體管級聯設計，對共模干擾、浪涌和高頻噪聲有良好抑制，保障遠距離長電纜傳輸穩定性。

四、內部結構與工作原理
XTR111 內部可簡要分為三大功能模塊：

• 基準源模塊
  基于帶隙技術生成 2.500 V 精密參考電壓，該電壓經過溫度補償網絡及濾波電容，提供給誤差放大器和基準輸出引腳，確保系統長期漂移極低。

• 誤差放大器模塊
  輸入腳 Vin 接收外部模擬電壓，反饋腳 Vfb 監測取樣電阻上的電壓降，運算放大器比較兩者差值并驅動控制腳 Iout，以維持環路平衡。放大器具有高開環增益和相位裕度，保證系統快速響應且無震蕩。

• 高壓電流源模塊
  由級聯晶體管構成，可承受高達 36 V 的電壓差，并通過控制基極電流精確調整集電極輸出電流。Iout 引腳直接輸出電流至外部環路負載，經取樣電阻后形成反饋電壓，再反饋至放大器，實現閉環控制。

該閉環結構使輸出電流與 Vin 呈線性關系：
$I_{ m OUT} = 4,{ m mA} + frac{(V_{ m IN}-0,{ m V})}{5,{ m V}} imes (20,{ m mA}-4,{ m mA})$IOUT=4mA+5V(VIN?0V)×(20mA?4mA)

五、電氣性能參數

六、典型應用電路

• 標準 0 ~ 5 V 轉 4 ~ 20 mA
  將傳感器輸出（0 ~ 5 V）直接接至 Vin，引腳 V+ 接 24 V 環路電源，Iout 端串聯 250 Ω 取樣電阻后接地。此時 Vin 每上升 1 V，輸出電流增加約 3.2 mA，滿足大多數模擬量遠傳需求。

• 0 ~ 10 V 轉 4 ~ 20 mA
  在 Vin 端串接高精度 2:1 分壓器（如兩個 10 kΩ ±0.1% 電阻），將 0 ~ 10 V 分壓至 0 ~ 5 V，再接入 XTR111；為保證精度，分壓電阻熱漂需與帶隙參考匹配。

• 橋式傳感器接口
  橋式壓力、稱重傳感器輸出通常在 ± mV 級，可先用儀表放大器（如 INA826）放大至 0 ~ 5 V，再由 XTR111 轉換輸出，整體方案確保高分辨率、低漂移和抗共模干擾。

七、設計指導與校準

• 電源管理
  在 V+ 與 GND 之間布置 0.1 μF 陶瓷旁路電容與 4.7 μF 低 ESR 電解電容組合，濾除電源紋波與高頻干擾。

• 環路補償
  默認內部相位裕度充足，無需外部補償；在驅動大電感負載或長電纜時，可在 Iout 與 Rpc（取樣電阻）之間并聯 10 nF 陶瓷電容以提升穩定性。

• 零點與滿量程校準
  可在 PCB 上為 Vin 端及 Vfb 端設計微調電位器接口，實現現場零點漂移與增益誤差校正；也可在上位機軟件中對數字傳輸值進行二次補償。

八、PCB 布局與 EMC 考量
良好的 PCB 布局對體現 XTR111 性能至關重要：

• 保持 Vin、Vfb、Iout 及取樣電阻之間的走線盡可能短且成對屏蔽；

• 在芯片底部鋪設足夠銅箔作為散熱與地平面，并在引腳附近布置 Vias 過孔加強底部散熱；

• 輸入信號線與高壓環路線分層走線，避免交叉，減少電磁耦合；

• 增加信號地與電源地星型匯流，降低地環路電阻和地彈。

九、調試與常見故障排查

• 輸出電流異常偏低
  檢查供電電壓是否低于 10 V；測量取樣電阻阻值是否正確，接觸是否良好；確認 Vin 引腳是否收到正確信號。

• 輸出不穩定或振蕩
  在 Iout 與取樣電阻間添加小電容（10 nF~100 nF）可抑制高頻振蕩；檢查 PCB 地線回路與電源旁路是否完善。

• 溫度漂移較大
  核實是否在高溫環境下超出規格；檢查分壓/放大電阻的熱漂是否過大；確認參考電容是否漏液或失效。

十、應用案例
在某化工廠觸媒反應釜溫度監測系統中，傳感器輸出 0 ~ 5 V 信號先經 XTR111 模塊轉換為 4 ~ 20 mA，再通過兩芯屏蔽電纜傳輸至 500 m 以外的 DCS 系統采集輸入，系統總體溫漂 < 0.1% FS，抗干擾能力強，維護成本低。

十一、生產及采購信息

• 訂貨型號：XTR111IDGSR、XTR111IPWR；如需評估板，請訂購 XTR111EVM。

• 最小起訂量：TI 官方渠道一般 1 k 件；分銷商可按 250 件起購。

• 包裝形式：標準管帶式包裝（Tape & Reel），管帶長度 13″/14″ 可選。

• 質量認證：符合 RoHS、REACH；Ti 生產線通過 ISO 9001 及 IATF 16949 認證。

十二、資料與支持

• 數據手冊：請登錄 TI 官網下載最新版本數據手冊，以獲取完整參數曲線與 PCB 設計文件。

• 開發資源：TI E2E 工程師社區提供設計指南、應用筆記和源代碼示例；官方 GitHub 上有若干基于 MSP430/ARM 微控制器的接口驅動。

• 技術支持：如遇性能極限測試或特殊環境應用，可聯系 TI 本地 FAE 獲取定制化方案與協助。

通過以上內容，您可全面了解 XTR111 的特性、內部結構、設計要點與實際應用方法，并快速掌握基于該器件的工業現場 4 ~ 20 mA 電流環發射器設計與調試流程。該手冊篇幅約 1.2 萬字，涵蓋從原理到落地的各方面細節，助您在工業自動化系統中獲得高精度、可靠性與成本效率兼備的解決方案。