零漂移橋式傳感放大器AD8555的性能特點及應用范圍

1、 引言

AD8555是ADI推出的一款增益及輸出失調(diào)，可數(shù)字編程的零漂移橋式傳感放大器，工作電壓為2.7 V～5.5 V，工作溫度范圍為-40℃～125℃；其數(shù)字可編程增益控制范圍為70～l 280；DC和ACCMRR高達96 dB；輸入失調(diào)電壓低（最大為10μV），輸入失調(diào)電壓漂移50 nV／℃；通過外接電容器，可以方便地實現(xiàn)低通濾波功能；輸入和輸出范圍很寬，能驅動低電壓ADC。另外，AD8555還具有開路和短路故障保護以及輸出擺幅限制功能。AD8555的這些特性給設計人員在對放大器進行調(diào)整和優(yōu)化時帶來極大方便，可廣泛應用于測試和測量系統(tǒng)的前向通道，對壓力傳感、燃料壓力傳感、平衡橋傳感、精密電流傳感、爆破壓力及泄漏壓力檢測等傳感器信號進行調(diào)理。

2 、AD8555的引腳功能

AD8555采用8引腳SOIC或16引腳LFCSP封裝，如圖1所示。引腳功能如下：

1腳（VDD）：正電源端；

2腳（FILT/DIGOUT）：未經(jīng)緩沖放大的低通濾波輸出；在讀模式下為編程數(shù)字輸出；

3腳（DIGIN）：程控數(shù)字輸入端；

4腳（VNEG）：反相輸入端；

5腳（VPOS）：同相輸入端；

6腳（VCLAMP）：輸出箝位電壓設定端；

7腳（VOUT）：輸出端；

8腳（VSS）：負電源端。

3 、AD8555的內(nèi)部結構和工作原理

AD8555的內(nèi)部結構如圖2所示。Al，A2，R2，R3，P1及P2構成放大器的第一級，A3，R4，R5，R6，R7，P3及P4構成減法器，作為放大器的第二級，A1、A2及A3均可實現(xiàn)自動調(diào)零，它們共同組成儀表放大器主電路，其中P1、P2及P3、P4是用于調(diào)節(jié)二級增益的數(shù)字可控電位器，二級放大器的增益溫度系數(shù)均低于2x10-4ppm/℃，通過編程能對放大器增益進行70～l 280的大范圍調(diào)整，可以完全通過在路調(diào)整實現(xiàn)。電阻器RF通過一只外接在FILT/DIGOUT和VDD或VSS間的電容器實現(xiàn)低通濾波。A4為輸出緩沖器。A5為保護系統(tǒng)輸出的箝位電路，其最大輸出電流范圍為為5 mA~10 mA，用于給緩沖放大器A4供電，并對A4輸出的正向擺幅進行限定，設定方法是通過外部參考電壓，AD8555允許驅動工作電壓低于其工作電壓的A/D轉換器工作。

為了防止橋式傳感器的負載過重，2個差分輸入端子（VPOS和VNEG）具有高輸入阻抗和低偏置電流。自動調(diào)零電路通過不斷修正放大器所產(chǎn)生的直流誤差使失調(diào)和失調(diào)漂移降到最低。在-40℃~+125℃溫度范圍內(nèi)，它具有10μV最大輸入失調(diào)電壓和65 nV/℃最大輸入失調(diào)電壓漂移。

DIGIN是單線串行接口，通過它對放大器的增益和輸出失調(diào)進行調(diào)整設置，增益調(diào)整范圍是70~1280，二級放大器的增益可以分別單獨進行設置和調(diào)整，調(diào)整到預定的增益值后，再利用DigiTrim專利多晶硅熔絲技術固定放大器的增益設置，實現(xiàn)增益永久設定。第一級增益調(diào)整通過調(diào)整Pl和P2的128步7bit編碼進行，范圍為4.00~6.40；第二級增益調(diào)整通過調(diào)整P3和P4的8步3 bit編碼，范圍為17.5~200。在永久性固定放大器的增益設定值之前，為獲得最佳校準精度，可暫時在路設置和反復調(diào)節(jié)調(diào)整值。第一級增益與編碼值的關系見公式（1）；第二級增益與編碼值的關系如表l所列，放大器總增益GAlN=CAIN1xGAIN2。

8-bit DAC提供放大器的失調(diào)電壓設置，用于補償輸入信號的失調(diào)誤差和給輸出信號增加1個固定偏置電壓。當偏離其預定作用時，這種單調(diào)DAC產(chǎn)生輸出電壓，擺動范圍是VSS（輸入代碼0）~VDD（輸入代碼255）。DAC的8-bit分辨率提供的電壓步長是VDD和VSS之差的O.39％，像增益一樣，輸出失調(diào)電壓可暫時設置、評估和反復調(diào)節(jié)，然后通過多晶硅熔絲進行永久性地固定。公式（2）描述了DAC內(nèi)部基準電壓VDAC的近似值關系。

放大器的輸出電壓VOUT可由公式（3）算出，其中GAIN為電路對于差分輸入的默認內(nèi)部初始增益，大小為70。當2個輸入都接地時，因第一項接近0 V或最大10 mV（由于輸入放大器誤差），這時電路的輸出電壓VOUT等于VDAC。

AD8555采用2.7 V~5.5 V單電源工作。通過每一模擬輸入端的上拉電流源實現(xiàn)電路故障檢測，可防止開路、短路和輸入懸空，當發(fā)生其中的任何一種情況時，都會導致輸出電壓被箝位到負電源電壓（VSS），另外，短路和浮空輸入情況還可以通過VCLAMP端進行檢測。輸出低通濾波器由電阻器RF和AD8555外接的一只電容器構成，它可以方便地將輸出頻率調(diào)整在O kHz~400 kHz范圍內(nèi)。

4 、AD8555在自動測量系統(tǒng)中的應用

圖3所示為AD8555在傳感器測量前向通道中的配置。在測量系統(tǒng)前端，由于傳感器性能上的差異，往往無法滿足具備同等精度的要求，一種使各路傳感器信號滿足A/D轉換要求并達到一致的通常方法是：通過電位器對各路放大器進行大量反復的調(diào)整，然后將其相應增益確定下來，這種方法既費時又費力，非常麻煩。使用AD8555后，電路設計和調(diào)整大大簡化。因為它的增益設定和調(diào)整、失調(diào)設定和調(diào)整、輸出電壓箝位等功能均可全部用軟件分別單獨實現(xiàn)，且可完全在路進行。加之AD8555不僅能夠用來補償橋式傳感器的失調(diào)和增益誤差，而且可提供傳感器故障指示，這給電路的調(diào)整測試帶來極大的方便。另外，AD8555對電容性負載具有很大驅動能力，可以靈活地靠近傳感器放置，也可遠離信號調(diào)理電路。

對AD8555進行編程時需要注意幾個問題：

數(shù)據(jù)從DIGIN引腳輸入，脈寬twO為50 ns~10μs間的正脈沖向移位寄存器寫0．脈寬tw1大于等于50μs以上的正脈沖向移位寄存器寫l，編程數(shù)據(jù)脈沖之間的時間間隔ms一定要大于或等于10μs。圖4所示為向移位寄存器寫入010011的時序。單電源工作時，DIGIN引腳的電壓在VSS與O.2VDD之間為低電平0，在O.8VDD與VDD之間為高電平l。

初始狀態(tài)：GAINl=4.0；GAIN2=17.5；主熔絲完好。

AD8555使用38-bit的串行控制字進行編程寫入，分為6場，串行字格式見表2。編程步驟如下：

將VDD、VSS設定到使用電壓，在模擬模式下對一、二級增益及輸出失調(diào)設定數(shù)據(jù)輸入器件進行反復調(diào)試，達到要求的精度；

將VSS設為0VDD（5.5 V），在編程模式下對各二級增益和輸出失調(diào)控制代碼進行永久性寫入，固定AD8555指標，熔斷器件的多晶硅主熔絲；

將器件恢復為使用電壓，利用讀模式對編程代碼進行校驗；

測量增益和輸出失調(diào)，進行功能驗證。

5、 結束語

AD8555是具有可設置增益、輸出失調(diào)、故障檢測、輸出箝位和低通濾波器等功能的零漂移儀表用放大器，能簡化多點、多參量檢測系統(tǒng)的前向通道設計與調(diào)整，提供完整的從傳感器到ADC的信號調(diào)理路徑。

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