技术干货第二弹丨仪表放大器常见问题解答(独家放送!)

仪表放大器常见问题解答

1.仪表放大器的误差预算计算

2.仪表放大器设计中的常见陷阱

3.仪表放大器的输入共模电压范围

4.仪表放大器共模范围:钻石图(应用笔记)

5.使用钻石图工具(视频)

1.仪表放大器的误差预算计算

Q:RTI误差和RTO误差之间有何区别?如何计算它们的误差预算?

A:对于AD8422等具有三运算架构的仪表放大器,它包含一个实现差分增益的前置放大器级和一个移除共模电压的减法器级。减法器的差分信号固定增益为1(噪声增益=2),而前置放大器级的增益随编程增益的变化而变化。由于输出部分的误差与固定增益相乘,因此该部分通常是低电路增益下的主要误差源。当仪表放大器以更高增益工作时,输入级的增益增加。随着增益增加,输入部分导致的误差增多,而输出误差没有增多。因此,在高增益下,输入级误差占主导地位。为了组合来自两个级的误差源,通常将误差建模为与输入串联的单个误差源,或折合到输入端(RTI)。同样,也可将误差建模为与输出串联的单个误差源,或折合到输出端(RTO)。 

以失调电压为例,对于AD8422BRZ,最大失调电压由25µV的输入失调电压(VOSI)和150µV的输出失调电压(VOSO)组成。下面以这些典型值计算增益为10时的总失调电压。 

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

请注意,这两个误差数值(RTI和RTO)是不同的:RTO数值大10倍,逻辑上也应该大10倍,因为在增益为10时,仪表放大器的输出端误差应是输入端误差的10倍。 

噪声的计算方法类似,除了两部分的噪声以平方根和形式增加之外。 

总RTI噪声 = √eNI^2 + (eNO/G)^2 
总RTO噪声 = √(G*eNI)^2 + eNO^2 

在增益为10时,AD8422 RTI电压噪声频谱密度为:√(8nV/√Hz^2 + (80nV/√Hz / 10)^2) = 11.3nV/√Hz RTI。 

注意增益误差,它们是相乘而不是相加,不要遵循这种模式。例如,如果双级放大器的每个级上有1%的误差,则不管每个级的增益是多少,都约有2%的误差,遵循如下计算:(G1*1.01) * (G2*1.01) = G1*G2*1.0201。

2.仪表放大器设计中的常见陷阱

Q:使用具有三运放架构的仪表放大器时(AD8421、AD8422、AD8221、AD8220、AD8226、AD8429等),要避免哪些常见陷阱?

A:为了获得最佳的性能,必须正确应用。

浮动传感器:仪表放大器输入并未隔离,因此不能测量浮动电压。对于热电偶或变压器等浮动传感器,必须为偏置电流提供直流接地路径。这可保证AD8422的输入不会浮动到输入范围边缘并饱和。

对于单电源应用,输入必须偏置到输入范围内的某一电压,如中间电源电压。有关更多单电源仪表放大器考虑因素,请参阅AN0937 :http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-937.pdf

REF 输入阻抗:AD8422的输出是相对于REF引脚的电压来计算的,该引脚通常直接接地。如果必须对输出进行电平转换,可驱动REF引脚来实现。但是,为了避免过多CMRR和增益误差,必须使用低阻抗源驱动REF引脚。

RFI 整流:AD8422是精密放大器。因此,当高频信号(如RF)耦合到输入端时,会在输出端整流成直流电压。由于这些信号随时间的变化而变化,这种整流可能表现为一系列脉冲,无法通过额外的滤波或校准来移除。数据手册中推荐了一种RFI滤波器用于减少RFI整流。在RF干扰程度较高的应用中,可在输入端使用铁氧体磁珠或共模扼流圈来进一步衰减RF信号。有关更多信息,请参阅《仪表放大器应用工程师指南》。

应用AD8422的更多考虑因素可在数据手册的“操作原理”部分中找到。

3.仪表放大器的输入共模电压范围

Q:我的仪表放大器在较低增益下可以工作,但在较高增益下似乎无法达到所需的输出值。

A:可能是遇到了芯片的输入共模电压与输出电压摆幅的限制。内部节点可能在使用三运放结构的仪表放大器中饱和,从而造成输出电压的限制。仪表放大器的六角图展示了这一点。下面是AD8226的示例六角图:

请注意,当输入共模电压处于供电电压的一半时,可获得最大输出摆幅。要了解有关此工作原理的更多信息,可观看视频:http://www.youtube.com/watch?v=VSf31DaXWUE。《仪表放大器应用工程师指南》的第2-3页:http://www.analog.com/static/imported-files/design_handbooks/5816856680166219537Chapter_II.pdf也讨论了这种效果。

4.仪表放大器共模范围:钻石图(应用笔记)

请参考以下应用笔记:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1401.pdf

5.使用钻石图工具(视频)

钻石图的使用也可以参考以下视频:

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