儀表放大器的動態(tài)計算和使用裕量圖簡化儀表放大器設計

簡介

對于運算放大器，確定裕量限值是很簡單的。設計人員只需考慮兩個限制：輸入共模電壓范圍和輸出電壓擺幅。然而，確定儀表放大器的裕量限值則較為復雜。最常見的儀表放大器架構是集合兩到三個運算放大器，每個運算放大器都有自己的輸入和輸出范圍。這些限制結合之后，導致儀表放大器的工作范圍取決于共模電壓、增益和REF引腳電壓。儀表放大器數據手冊提供的裕量圖會顯示飽和邊界，但這些圖僅代表從最常見配置獲得的數據，且仍會引起一些混淆。本文為了澄清關于儀表放大器裕量圖（也稱為VCM與VOUT關系圖或鉆石圖）的主要混淆之處，并介紹用來動態(tài)計算儀表放大器裕量限值的ADI Web工具，它可以大大簡化儀表放大器設計。

圖1.由軌到軌運算放大器構成的單電源三運放儀表放大器的鉆石圖

儀表放大器基礎

儀表放大器是一個閉環(huán)增益模塊，運算放大器則設計成高開環(huán)增益模塊。當通過無源和有源器件的各種組合應用反饋時，運算放大器可配置用來執(zhí)行許多不同功能，而儀表放大器只能將其輸入端之間的差分信號乘以一個固定或可編程的增益量，并抑制兩個輸入共有的任何信號（共模電壓）。儀表放大器具有兩個平衡的高阻抗輸入，以避免成為傳感器或信號源的負載。儀表放大器具有優(yōu)化的低等效輸入誤差和高共模抑制比，可在有大共模電壓的情況下測量小信號。

鉆石圖

雖然儀表放大器似乎不關心輸入共模電壓，但在內部，它仍必須應對此電壓。當外部輸入和輸出電壓本來在規(guī)定范圍以內時，共模電壓（特別是當其接近電源時）可能引起內部節(jié)點飽和。鉆石圖通過繪制每個裕量限值的組合，包括輸入范圍、輸出范圍和內部節(jié)點，來反映這種限制。鉆石圖是一種邊界圖，顯示給定輸入共模電壓（VCM）下可實現(xiàn)的輸出電壓（VOUT），或可產生給定輸出電壓的輸入共模電壓范圍。

雖然儀表放大器數據手冊中的鉆石圖顯示了儀表放大器的所有輸入范圍、輸出擺幅和內部裕量限值，但電源電壓、REF引腳電壓（VREF）和增益等電路配置參數也會影響鉆石圖。對于構成儀表放大器的每個運放，輸入和輸出裕量限值與電源電壓成比例，意味著改變電源電壓會使鉆石圖擴大或收縮。此外，根據儀表放大器理想傳遞函數，輸出電壓與差分輸入電壓、增益和VREF相關：

VOUT = 增益× VIN_DIFF + VREF

其中：

● VIN_DIFF為差分輸入電壓，定義為V+IN ? V?IN。

● VREF為REF引腳電壓。

由于VREF和增益均影響輸出電壓，并且輸出電壓是x軸變量，所以VREF和增益也可能影響鉆石圖形狀。傳統(tǒng)上，數據手冊試圖通過一系列圖形來顯示這些變化并涵蓋大多數常見配置，有時候還會通過一組公開公式來描述裕量限值。

為了簡化儀表放大器電路的設計和調試過程，儀表放大器鉆石圖工具可計算任何用戶配置的ADI儀表放大器鉆石圖限值。

如何查看鉆石圖

無需進行詳細分析，便可了解如何在設計中使用鉆石圖，從而確保電路在圖中的有效范圍內工作。當電路在鉆石圖范圍內工作時，不會發(fā)生飽和，儀表放大器會發(fā)揮預期性能。為了確保這一點，首先必須了解電路的工作電壓范圍。

信號范圍和鉆石圖相結合以避免飽和

每個電路都有一個信號工作電壓范圍，共模和差分輸入電壓在該范圍上變化。信號工作電壓范圍可直接在鉆石圖上繪制。如果工作范圍完全在鉆石圖內部，電路就不會有飽和問題。電路的工作范圍可以非常簡單，給定共模電壓時，所需輸出范圍是一條水平線。更多時候，設計必須考慮（更確切的說法是抑制）一系列共模電壓。用圖形表示的話，這看起來像是一個從VCM_MIN到VCM_MAX和從VOUT_MIN到VOUT_MAX的方框。最后一個麻煩的地方是當輸入電壓為單端（一個輸入為固定電壓，而另一個輸入為變化電壓）時，共模電壓會隨著輸入信號而變化。表示VCM與VOUT關系的直線的斜率為±1/（2G），因此，當增益很高時，它趨于水平，但在較低增益時則大不相同。圖2至圖4顯示了三種情況的輸入信號條件及其圖形表示。

每種條件的適用例子如下：

● 四元件變化電橋是差分輸入例子

● 負引腳接地的隔離熱電偶測量是+IN單端輸入信號例子

● 正供電軌上的高端電流檢測是-IN單端輸入信號例子

對于特定電路，如果不清楚哪種方法合適，那么只要知道最大和最小共模電壓，就可以使用差分輸入，因為它是通用方法。不過，所得的方框可能會覆蓋電路實際上不會在其中工作的圖形區(qū)域。

圖2.差分輸入信號條件及其圖形表示

圖3.+IN單端輸入信號條件及其圖形表示

圖4.-IN單端輸入信號條件及其圖形表示

解構鉆石圖

鉆石圖代表各種裕量限值的集合。了解這些限值是從哪里來的以及它們出現(xiàn)在鉆石圖上的位置，可以幫助設計人員更有效地應用儀表放大器。

首先考慮所有儀表放大器都必須遵守的基本限值：輸入范圍和輸出范圍。這些限值如圖5所示。變換到鉆石圖中使用的VCM與VOUT軸上時，輸出范圍限值表現(xiàn)為VOUT = VOUT_H或VOUT = VOUT_L的垂直線。換言之，為了避免飽和，水平軸變量VOUT必須大于VOUT_L且小于VOUT_H。

輸入范圍稍難一點。如果VIN_DIFF設置為0 V，假設VREF在輸出范圍以內，則輸出電壓變?yōu)閂OUT = VREF。在這些條件下，仍在范圍以內的最大和最小共模電壓分別為額定輸入范圍限值VIN_H和VIN_L。當輸入位于這些限值之一時，要移動輸出電壓，其中一個輸入必須離開限值。完成移動之后，共模電壓（VCM，定義為（V+IN + V?IN）/2）改變±ΔVOUT × 1/（2G），其中G為儀表放大器增益，符號取決于哪一個輸入離開限值。從公式中可以看出，增益為1時，斜率（m）為±?。增益提高時，斜率降低。如果增益高于10左右，則輸入范圍限值看起來像是一條水平線。

電路設計人員一般會在參考鉆石圖之前考慮輸入范圍和輸出范圍，確定這些基本限值之后，儀表放大器架構施加的其他限值在鉆石圖上便很明顯。理想儀表放大器僅有圖5所示的限值以及軌到軌輸入和軌到軌輸出。多數儀表放大器還有其他鉆石圖限制。事實上，采用特殊間接電流反饋架構的AD8237是業(yè)界僅有的若干能在大多數配置中符合理想鉆石圖的儀表放大器之一。

圖5.僅顯示輸入范圍和輸出范圍限值的鉆石圖

多數儀表放大器基于圖6所示的傳統(tǒng)三運放架構，因此，討論三運放型儀表放大器以對內部限制有所了解是值得的。在三運放儀表放大器中，增益在第一級中應用，而共模電壓在第二級中消除。因此，前置放大器級的兩個輸出為VCM ± G × VIN_DIFF/2。將這些限值再轉換到VCM與VOUT軸上，前置放大器輸出限制的斜率為±1/（2 × GD），其中GD為減法器增益。GD典型值為1，如圖6電路所示。此斜率與前置放大器增益無關，即使輸入范圍在較高增益時趨于水平，該內部前置放大器的輸出范圍限值也不會變平。

唯一需要考慮的其他限值是減法器運放的輸入范圍。減法器運放的輸入位于一個電阻分壓器（其在前置放大器正輸出與REF引腳之間）的中心。REF引腳電壓通常在中間電源電壓附近；因此，它也會將減法器運放的輸入拉向中間電源電壓。結果，此限值通常并不會影響電路，除非VREF和前置放大器正輸出均非常接近同一電源電壓。

圖6.基本三運放儀表放大器

可將所有這些限值放在一起來解釋整個圖。圖7為AD8221數據手冊中的G = 100圖，標簽顯示了哪個線段代表哪個限值。輸出范圍是垂直線，輸入范圍近乎平坦（斜率為±1/200），前置放大器輸出范圍的斜率為±?。

圖7.AD8221帶標簽的鉆石圖

ADI公司鉆石圖工具

為了簡化生成和使用鉆石圖的過程，ADI公司開發(fā)了一款在線儀表放大器鉆石圖工具。該工具根據用戶給定的電路條件計算ADI儀表放大器鉆石圖，并檢測信號范圍是否在儀表放大器的工作范圍以內（參見圖8）。該工具還會檢查一些常見錯誤，例如增益或電源電壓是否超出儀表放大器范圍。

圖8.ADI公司儀表放大器鉆石圖工具屏幕截圖

為節(jié)省設計時間，儀表放大器鉆石圖工具還會生成一個滿足所有電路條件和裕量要求的推薦儀表放大器列表（參見圖9）。此列表可以在工具本身中按參數篩選，只需單擊Filter this list by specifications（按規(guī)格篩選此列表）；也可在ADI網站的參數搜索表格中查看，只需單擊View parametrics for recommended in-amps（查看推薦儀表放大器參數）。在工具內部按規(guī)格篩選的優(yōu)點是可以根據所選增益來顯示相應的性能指標，便于直接比較哪一款器件更適合設計。

圖9.鉆石圖工具產生的推薦儀表放大器列表

結語

利用儀表放大器進行設計時，為了避免意外飽和，必須對鉆石圖有基本了解。雖然鉆石圖非常有用，但它取決于電路配置，因此，必須根據設計中的特定電路條件來生成鉆石圖。對于新設計，把鉆石圖作為儀表放大器選擇的第一準則可節(jié)省時間；但在過去，很難通過這種方式來縮小設計選擇范圍。利用儀表放大器鉆石圖工具可以快速評估裕量考慮，使得設計人員可以放心地把注意力轉移到性能考慮上。

責任編輯：gt