一、概述
XTR111 是德州仪器（TI）针对工业现场数字-模拟信号隔离与远程传输而设计的一款高度集成的 4~20 mA 电流环发射器。它将输入的直流模拟电压信号（如 0 ~ 5 V、0 ~ 10 V 或经分压/放大后的任意线性电压）精确转换为线性可编程的 4 ~ 20 mA 电流输出。芯片内部集成了带隙基准源、低漂移运算放大器、高压电流源及误差检测反馈环路，能够在 10 V ~ 36 V 宽电压范围内稳定工作，且温度系数与非线性误差极小，非常适合压力、温度、液位、流量等传感器信号的远端传输与数字化接口。得益于内部高度集成与优化的电流回路结构，使用 XTR111 可以大幅度简化传统由分立运算放大器、电压参考、电流源等模块构成的设计方案，并降低系统功耗与 PCB 面积。

二、型号及封装

• XTR111IDGSR
  SOIC-8 封装，采用工业级 –40 ℃ ~ 125 ℃ 温度范围，适合常规工控板卡，具有优异的散热性能与引脚间距。

• XTR111IPWR
  VSSOP-8（DGN）超小封装，节省 PCB 面积，适合紧凑型便携式设备与多通道集成场景。

• XTR111EVM
  官方评估板，一体化输入接线端子、采样电阻与测试点，便于快速搭建验证环境与实验测量。

每种封装均经过高可靠性测试，包括高温存储、温度循环、潮湿气候与 ESD 抗扰度认证。选型时应综合考虑环境温度、散热需求、PCB 空间与安装方式等因素。

三、核心特性

1. 高精度带隙基准源
   XTR111 内置低漂移带隙参考电压 2.500 V（典型值），初始精度 ±0.05%，温度系数 ≤ 5 ppm/℃，为误差放大器与电流源提供稳定基准，确保全量程输出一致性。

2. 低漂移运算放大器
   采用超低输入失调电压 (< 25 μV)、低噪声结构，结合内部反馈环路，实现 0 ~ 5 V 到 4 ~ 20 mA 精密线性映射，最大非线性误差 < 0.02% FS，适合需要高精度测量与控制的工业过程。

3. 宽电源电压范围
   支持 10 V ~ 36 V 供电，无需额外升压或组合电源，直接兼容典型 24 V 工业母线电源；在低电压环境（如 12 V）下亦能正常输出完整的 4 ~ 20 mA 电流。

4. 节能低功耗
   常态静态电流仅 60 μA（典型），最大 100 μA，几乎不额外消耗环路电源，特别适合多路并联或总线受限功耗场景。

5. 强抗干扰能力
   内部集成 EMI 滤波与静电保护，环路输出端采用高压晶体管级联设计，对共模干扰、浪涌和高频噪声有良好抑制，保障远距离长电缆传输稳定性。

四、内部结构与工作原理
XTR111 内部可简要分为三大功能模块：

• 基准源模块
  基于带隙技术生成 2.500 V 精密参考电压，该电压经过温度补偿网络及滤波电容，提供给误差放大器和基准输出引脚，确保系统长期漂移极低。

• 误差放大器模块
  输入脚 Vin 接收外部模拟电压，反馈脚 Vfb 监测取样电阻上的电压降，运算放大器比较两者差值并驱动控制脚 Iout，以维持环路平衡。放大器具有高开环增益和相位裕度，保证系统快速响应且无震荡。

• 高压电流源模块
  由级联晶体管构成，可承受高达 36 V 的电压差，并通过控制基极电流精确调整集电极输出电流。Iout 引脚直接输出电流至外部环路负载，经取样电阻后形成反馈电压，再反馈至放大器，实现闭环控制。

该闭环结构使输出电流与 Vin 呈线性关系：
$I_{ m OUT} = 4,{ m mA} + frac{(V_{ m IN}-0,{ m V})}{5,{ m V}} imes (20,{ m mA}-4,{ m mA})$IOUT=4mA+5V(VIN−0V)×(20mA−4mA)

五、电气性能参数

六、典型应用电路

• 标准 0 ~ 5 V 转 4 ~ 20 mA
  将传感器输出（0 ~ 5 V）直接接至 Vin，引脚 V+ 接 24 V 环路电源，Iout 端串联 250 Ω 取样电阻后接地。此时 Vin 每上升 1 V，输出电流增加约 3.2 mA，满足大多数模拟量远传需求。

• 0 ~ 10 V 转 4 ~ 20 mA
  在 Vin 端串接高精度 2:1 分压器（如两个 10 kΩ ±0.1% 电阻），将 0 ~ 10 V 分压至 0 ~ 5 V，再接入 XTR111；为保证精度，分压电阻热漂需与带隙参考匹配。

• 桥式传感器接口
  桥式压力、称重传感器输出通常在 ± mV 级，可先用仪表放大器（如 INA826）放大至 0 ~ 5 V，再由 XTR111 转换输出，整体方案确保高分辨率、低漂移和抗共模干扰。

七、设计指导与校准

• 电源管理
  在 V+ 与 GND 之间布置 0.1 μF 陶瓷旁路电容与 4.7 μF 低 ESR 电解电容组合，滤除电源纹波与高频干扰。

• 环路补偿
  默认内部相位裕度充足，无需外部补偿；在驱动大电感负载或长电缆时，可在 Iout 与 Rpc（取样电阻）之间并联 10 nF 陶瓷电容以提升稳定性。

• 零点与满量程校准
  可在 PCB 上为 Vin 端及 Vfb 端设计微调电位器接口，实现现场零点漂移与增益误差校正；也可在上位机软件中对数字传输值进行二次补偿。

八、PCB 布局与 EMC 考量
良好的 PCB 布局对体现 XTR111 性能至关重要：

• 保持 Vin、Vfb、Iout 及取样电阻之间的走线尽可能短且成对屏蔽；

• 在芯片底部铺设足够铜箔作为散热与地平面，并在引脚附近布置 Vias 过孔加强底部散热；

• 输入信号线与高压环路线分层走线，避免交叉，减少电磁耦合；

• 增加信号地与电源地星型汇流，降低地环路电阻和地弹。

九、调试与常见故障排查

• 输出电流异常偏低
  检查供电电压是否低于 10 V；测量取样电阻阻值是否正确，接触是否良好；确认 Vin 引脚是否收到正确信号。

• 输出不稳定或振荡
  在 Iout 与取样电阻间添加小电容（10 nF~100 nF）可抑制高频振荡；检查 PCB 地线回路与电源旁路是否完善。

• 温度漂移较大
  核实是否在高温环境下超出规格；检查分压/放大电阻的热漂是否过大；确认参考电容是否漏液或失效。

十、应用案例
在某化工厂触媒反应釜温度监测系统中，传感器输出 0 ~ 5 V 信号先经 XTR111 模块转换为 4 ~ 20 mA，再通过两芯屏蔽电缆传输至 500 m 以外的 DCS 系统采集输入，系统总体温漂 < 0.1% FS，抗干扰能力强，维护成本低。

十一、生产及采购信息

• 订货型号：XTR111IDGSR、XTR111IPWR；如需评估板，请订购 XTR111EVM。

• 最小起订量：TI 官方渠道一般 1 k 件；分销商可按 250 件起购。

• 包装形式：标准管带式包装（Tape & Reel），管带长度 13″/14″ 可选。

• 质量认证：符合 RoHS、REACH；Ti 生产线通过 ISO 9001 及 IATF 16949 认证。

十二、资料与支持

• 数据手册：请登录 TI 官网下载最新版本数据手册，以获取完整参数曲线与 PCB 设计文件。

• 开发资源：TI E2E 工程师社区提供设计指南、应用笔记和源代码示例；官方 GitHub 上有若干基于 MSP430/ARM 微控制器的接口驱动。

• 技术支持：如遇性能极限测试或特殊环境应用，可联系 TI 本地 FAE 获取定制化方案与协助。

通过以上内容，您可全面了解 XTR111 的特性、内部结构、设计要点与实际应用方法，并快速掌握基于该器件的工业现场 4 ~ 20 mA 电流环发射器设计与调试流程。该手册篇幅约 1.2 万字，涵盖从原理到落地的各方面细节，助您在工业自动化系统中获得高精度、可靠性与成本效率兼备的解决方案。