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悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法

發(fā)布時間:2021-05-12 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在許多應(yīng)用中,ADC需要在存在大共模信號的情況下處理一個很小的差分輸入信號。傳統(tǒng)的儀表放大器(In-Amp)只具有單端輸出和有限的共模范圍,因此在這些應(yīng)用中并不常用。為了充分利用這些器件的高性能和低成本,可以設(shè)計一個簡單的 電路,將其單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出,并且改善其輸入共模范圍,使之更適合這些應(yīng)用。
 
許多低成本儀表放大器所具備的帶寬、直流精度和低功耗可以滿足所有的系統(tǒng)要求。使用儀表放大器的另一好處是,用戶無需構(gòu)建自己的差分放大器,因此省去了很多高成本的分立器件。本文將提出一種簡單的方法來構(gòu)建一個低成本儀表放大器并優(yōu)化其性能。此外,該解決方案的 成本和性能與單芯片儀表放大器不相上下。
 
圖1詳細介紹了所提出的精密系統(tǒng)設(shè)計,該設(shè)計允許用戶在存在高共模電壓的情況下測量差分信號。該電路包括一個輸入緩沖器、一個ADC驅(qū)動器和一個基準電壓源。緩沖器驅(qū)動儀表放 大器的參考引腳,并將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出。該電路具有非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理高達±270 V的共模電壓(采用±15 V電源供電),在正負方向幾乎達到電源電壓的20倍,這是電機控制應(yīng)用的關(guān)鍵。此外,還對輸入提供高達 ±500 V的共?;虿钅K沧儽Wo。
 
悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法
圖1. 單端輸入差分輸出放大器
 
此應(yīng)用使用±5 V電源,這樣輸入電壓才能具有±80 V共模范圍。
 
差分輸出由如下公式確定:
 
悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法
 
共模輸出由如下公式設(shè)置:
 
悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法
 
這個電路的好處是直流差分精度取決于AD629差動放大器和 AD8421儀表放大器,而不是運算放大器或者外部10 kΩ電阻。此外,這個電路充分利用了儀表放大器對其基準電壓相關(guān)的輸出電壓的精確控制。雖然運算放大器的直流性能和電阻匹配會影響直流共模輸出精度,但是這些誤差很可能會被信號鏈路上的下一個器件抑制,因此它對整個系統(tǒng)精度的影響將會很小。
 
為獲得最佳交流性能,推薦使用具有高帶寬和高壓擺率的運算放大器。此電路中選擇的運算放大器是ADA4807。
 
為了避免寄生電容使ADA4807不穩(wěn)定,電阻至反相輸入端之間的走線長度應(yīng)盡可能短。如果必須使用較長的走線,需使用阻值較低的電阻。
高性能ADC通常采用5 V單電源,并具有自身的基準電壓。該基準電壓用作差分輸出的共模電壓,從而無需使用基準電壓源。因此,其輸出與ADC成比例,這意味著ADC的VREF任何變化都不會影響系統(tǒng)的性能。
 
此差動放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差動放大器內(nèi)部微調(diào)電阻的比例匹配。因此,它比采用分立式放大器的儀表放大器更好。
 
對于采用0.1%外部電阻的分立式放大器,CMR限制為54 dB。儀表放大器集成了精密的激光微調(diào)電阻,使系統(tǒng)的CMR可達到80 dB或更高。這些電阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成,因此在一定溫度范圍內(nèi)可提供出色的比例匹配。
 
ADC可采用5V單電源供電,參考引腳上有2.5V低阻抗電壓源。這樣可將輸出設(shè)為中間電源,并升高ADC輸入端呈現(xiàn)的共模電壓。
 
示波器輸出波形曲線如圖2所示。兩個儀表放大器的增益均為 1。VIN是一個大共模電壓上的1 V pp 10 kHz正弦波。VOUT+和VOUT–分別是±0.5 V pp正弦波和余弦波。VOUT_diff是1 V pp差分輸出電壓,也就是消除共模信號后的VIN。
 
悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法
圖2. 電路的性能:
頂部:兩個互補輸出
中間:帶有大共模信號的輸入電壓
底部:差分輸出
 
通過增加一個電阻RG可以提高儀表放大器的增益:
 
悄悄告訴你們一個低成本儀表放大器設(shè)計方法
 
此電路也可以用于功耗敏感型應(yīng)用??傡o態(tài)電流為5 mA,采用 5V雙電源,其功耗僅約50 mW,相較于其他采用基本ADC驅(qū)動器(例如,AD8138和AD8131差分驅(qū)動放大器)或分立式放大器的解決方案,功耗節(jié)省達50%。
 
 
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