技術(shù)干貨第二彈丨儀表放大器常見問題解答

儀表放大器常見問題解答

1.儀表放大器的誤差預(yù)算計算

2.儀表放大器設(shè)計中的常見陷阱

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)算計算

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

A：對于AD8422等具有三運(yùn)算架構(gòu)的儀表放大器，它包含一個實現(xiàn)差分增益的前置放大器級和一個移除共模電壓的減法器級。減法器的差分信號固定增益為1（噪聲增益=2），而前置放大器級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，輸入級的增益增加。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，輸入級誤差占主導(dǎo)地位。為了組合來自兩個級的誤差源，通常將誤差建模為與輸入串聯(lián)的單個誤差源，或折合到輸入端(RTI)。同樣，也可將誤差建模為與輸出串聯(lián)的單個誤差源，或折合到輸出端(RTO)。

以失調(diào)電壓為例，對于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算增益為10時的總失調(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

請注意，這兩個誤差數(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，因為在增益為10時，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，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，如果雙級放大器的每個級上有1%的誤差，則不管每個級的增益是多少，都約有2%的誤差，遵循如下計算：(G1*1.01) * (G2*1.01) = G1*G2*1.0201。

2.儀表放大器設(shè)計中的常見陷阱

Q：使用具有三運(yùn)放架構(gòu)的儀表放大器時（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。

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

對于單電源應(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的輸出是相對于REF引腳的電壓來計算的，該引腳通常直接接地。如果必須對輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可驅(qū)動REF引腳來實現(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REF引腳。

RFI 整流：AD8422是精密放大器。因此，當(dāng)高頻信號（如RF）耦合到輸入端時，會在輸出端整流成直流電壓。由于這些信號隨時間的變化而變化，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。有關(guān)更多信息，請參閱《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：

請注意，當(dāng)輸入共模電壓處于供電電壓的一半時，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。

4.儀表放大器共模范圍：鉆石圖（應(yīng)用筆記）

請參考以下應(yīng)用筆記：

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-note...

5.使用鉆石圖工具（視頻）

鉆石圖的使用也可以參考以下視頻：

https://www.youtube.com/watch?v=5qVVAt_XImE&t=6s