儀表放大器常見問題解答

1.儀表放大器的誤差預算計算

2.儀表放大器設計中的常見陷阱

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（應用筆記）

5.使用鉆石圖工具（視頻）

1.儀表放大器的誤差預算計算

Q：RTI誤差和RTO誤差之間有何區別？如何計算它們的誤差預算？

A：對于AD8422等具有三運算架構的儀表放大器，它包含一個實現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的單個誤差源，或折合到輸出端(RTO)。

以失調電壓為例，對于AD8422BRZ，最大失調電壓由25μV的輸入失調電壓(VOSI)和150μV的輸出失調電壓(VOSO)組成。下面以這些典型值計算增益為10時的總失調電壓。

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，這兩個誤差數值（RTI和RTO）是不同的：RTO數值大10倍，邏輯上也應該大10倍，因為在增益為10時，儀表放大器的輸出端誤差應是輸入端誤差的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.儀表放大器設計中的常見陷阱

Q：使用具有三運放架構的儀表放大器時（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。

對于單電源應用，輸入必須偏置到輸入范圍內的某一電壓，如中間電源電壓。有關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。如果必須對輸出進行電平轉換，可驅動REF引腳來實現。但是，為了避免過多CMRR和增益誤差，必須使用低阻抗源驅動REF引腳。

RFI 整流：AD8422是精密放大器。因此，當高頻信號（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，這種整流可能表現為一系列脈沖，無法通過額外的濾波或校準來移除。數據手冊中推薦了一種RFI濾波器用于減少RFI整流。在RF干擾程度較高的應用中，可在輸入端使用鐵氧體磁珠或共模扼流圈來進一步衰減RF信號。有關更多信息，請參閱《儀表放大器應用工程師指南》。

應用AD8422的更多考慮因素可在數據手冊的“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。內部節點可能在使用三運放結構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。下面是AD8226的示例六角圖：

請注意，當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。

審核編輯：何安