儀表放大器常見問題解答

1.儀表放大器的誤差預(yù)算計(jì)算

2.儀表放大器設(shè)計(jì)中的常見陷阱

3.儀表放大器的輸入共模電壓范圍

4.儀表放大器共模范圍：鉆石圖（應(yīng)用筆記）

5.使用鉆石圖工具（視頻）

1.儀表放大器的誤差預(yù)算計(jì)算

Q：RTI誤差和RTO誤差之間有何區(qū)別？如何計(jì)算它們的誤差預(yù)算？

A：對(duì)于AD8422等具有三運(yùn)算架構(gòu)的儀表放大器，它包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)差分增益的前置放大器級(jí)和一個(gè)移除共模電壓的減法器級(jí)。減法器的差分信號(hào)固定增益為1（噪聲增益=2），而前置放大器級(jí)的增益隨編程增益的變化而變化。由于輸出部分的誤差與固定增益相乘，因此該部分通常是低電路增益下的主要誤差源。當(dāng)儀表放大器以更高增益工作時(shí)，輸入級(jí)的增益增加。隨著增益增加，輸入部分導(dǎo)致的誤差增多，而輸出誤差沒有增多。因此，在高增益下，輸入級(jí)誤差占主導(dǎo)地位。為了組合來自兩個(gè)級(jí)的誤差源，通常將誤差建模為與輸入串聯(lián)的單個(gè)誤差源，或折合到輸入端(RTI)。同樣，也可將誤差建模為與輸出串聯(lián)的單個(gè)誤差源，或折合到輸出端(RTO)。

以失調(diào)電壓為例，對(duì)于AD8422BRZ，最大失調(diào)電壓由25μV的輸入失調(diào)電壓(VOSI)和150μV的輸出失調(diào)電壓(VOSO)組成。下面以這些典型值計(jì)算增益為10時(shí)的總失調(diào)電壓。

總RTI誤差 = VOSI + (VOSO/G) = 25μV + (150μV/10) = 40μV
總RTO誤差 = G*VOSI + VOSO = 10*25μV + 150μV = 400μV

請(qǐng)注意，這兩個(gè)誤差數(shù)值（RTI和RTO）是不同的：RTO數(shù)值大10倍，邏輯上也應(yīng)該大10倍，因?yàn)樵谠鲆鏋?0時(shí)，儀表放大器的輸出端誤差應(yīng)是輸入端誤差的10倍。

噪聲的計(jì)算方法類似，除了兩部分的噪聲以平方根和形式增加之外。

總RTI噪聲 = √eNI^2 + (eNO/G)^2
總RTO噪聲 = √(G*eNI)^2 + eNO^2

在增益為10時(shí)，AD8422 RTI電壓噪聲頻譜密度為：√(8nV/√Hz^2 + (80nV/√Hz / 10)^2) = 11.3nV/√Hz RTI。

注意增益誤差，它們是相乘而不是相加，不要遵循這種模式。例如，如果雙級(jí)放大器的每個(gè)級(jí)上有1%的誤差，則不管每個(gè)級(jí)的增益是多少，都約有2%的誤差，遵循如下計(jì)算：(G1*1.01) * (G2*1.01) = G1*G2*1.0201。

2.儀表放大器設(shè)計(jì)中的常見陷阱

Q：使用具有三運(yùn)放架構(gòu)的儀表放大器時(shí)（AD8421、AD8422、AD8221、AD8220、AD8226、AD8429等），要避免哪些常見陷阱？

A：為了獲得最佳的性能，必須正確應(yīng)用。

浮動(dòng)傳感器：儀表放大器輸入并未隔離，因此不能測(cè)量浮動(dòng)電壓。對(duì)于熱電偶或變壓器等浮動(dòng)傳感器，必須為偏置電流提供直流接地路徑。這可保證AD8422的輸入不會(huì)浮動(dòng)到輸入范圍邊緣并飽和。

對(duì)于單電源應(yīng)用，輸入必須偏置到輸入范圍內(nèi)的某一電壓，如中間電源電壓。有關(guān)更多單電源儀表放大器考慮因素，請(qǐng)參閱AN0937 ：http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-937.pdf

REF 輸入阻抗：AD8422的輸出是相對(duì)于REF引腳的電壓來計(jì)算的，該引腳通常直接接地。如果必須對(duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可驅(qū)動(dòng)REF引腳來實(shí)現(xiàn)。但是，為了避免過多CMRR和增益誤差，必須使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)REF引腳。

RFI 整流：AD8422是精密放大器。因此，當(dāng)高頻信號(hào)（如RF）耦合到輸入端時(shí)，會(huì)在輸出端整流成直流電壓。由于這些信號(hào)隨時(shí)間的變化而變化，這種整流可能表現(xiàn)為一系列脈沖，無法通過額外的濾波或校準(zhǔn)來移除。數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦了一種RFI濾波器用于減少RFI整流。在RF干擾程度較高的應(yīng)用中，可在輸入端使用鐵氧體磁珠或共模扼流圈來進(jìn)一步衰減RF信號(hào)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱《儀表放大器應(yīng)用工程師指南》。

應(yīng)用AD8422的更多考慮因素可在數(shù)據(jù)手冊(cè)的“操作原理”部分中找到。

3.儀表放大器的輸入共模電壓范圍

Q：我的儀表放大器在較低增益下可以工作，但在較高增益下似乎無法達(dá)到所需的輸出值。

A：可能是遇到了芯片的輸入共模電壓與輸出電壓擺幅的限制。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可能在使用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的儀表放大器中飽和，從而造成輸出電壓的限制。儀表放大器的六角圖展示了這一點(diǎn)。下面是AD8226的示例六角圖：

請(qǐng)注意，當(dāng)輸入共模電壓處于供電電壓的一半時(shí)，可獲得最大輸出擺幅。要了解有關(guān)此工作原理的更多信息，可觀看視頻：http://www.youtube.com/watch?v=VSf31DaXWUE。《儀表放大器應(yīng)用工程師指南》的第2-3頁：http://www.analog.com/static/imported-files/design_handbooks/58168566801...也討論了這種效果。

審核編輯：何安