本次與大家分享的是世健和ADI聯合舉辦的《世健·ADI工業趴：放飛思路，解封你的超能力》主題活動的三等獎文章：《高精密電流放大器ADI AD8428設計到實踐的全程手搓》。

作者：北方

01

概述

這個設計是要完成一個類似心電記錄儀的心跳電壓捕捉電路，并驗證電容器選型對這個電路的影響。根據微壓級別的信號，至少需要24位的采集精度，或者通常是兩級運放來提高采樣電壓。兩級放大可以保證放大倍數，但是濾波和抗干擾的電路設計就復雜了。所以能選擇一款高精度的儀表放大器直接解決問題是最好不過。

ADI AD8424是一款高精度電流放大器，雖然說國產替代一直在進行中，但是作為模擬芯片的設計和生產卻很需要時間積累和經驗驗證。而ADI的模擬毫無疑問是模擬芯片的第一陣列。

本帖是全程手搓的，而ADI也提供了這樣的條件，從芯片選型到模擬設計軟件，極大降低了開發者的技術難度，提高了效率，保證了質量。小插一個無關設計的小觀點，其實，國產替代也是個循序漸進的過程，世界還是挺大的，合作共贏、共同達成商業目標才是持久之路。ADI技術領先，保證供應，價格合理，是非常值得選擇的。

這個是最后的電路設計圖。

PCB電路設計圖如下：

02

模擬設計

使用ADI的輔助工具進行AD8428 Instrumentation Amplifier模擬設計。

使用ADIsim軟件

模擬設計軟件先不說好用不好用，首先是非常好玩的。ADIsim是一個非常友好的模擬工具，易于使用，而且還是免費的。AD8428在做設計的時候還是一款新品，所以沒有在這個設計庫里，需要先下載SPICE文件然后倒入。SPICE文件是TXT格式的，可以直接自定義編輯功能和設置，當然，首先要真正了解并熟悉這款新品才行。

使用ADIsim的設計圖，

進行功能模擬的結果。雖然基本功能有效，但是還不大理想，所以后來就棄坑了，因為有更好的替身。

LTspice

LTspice是Linear的頭牌，中文是凌特，已經被ADI并購了，大家看到LT起頭的ADI產品，實際上源自Linear，而LTspice就是對標ADIsim并超越ADIsim的頂流。深切懷疑，Linear被并購的原因就是因為胸懷利刃LTspice，而招致“失身之禍”。相比AD打頭的產品，大家都知道LT打頭的都主打一個性價比，其實也是很能打的，當初被并購也是花了大價錢的，應該更是兩情相悅的結果。因為，這樣對LTspice來說，ADI也是官方全系列支持的。當然，現在還是需要導入spice的。

原理圖的設計

AD8428是根據ADI樣片申請獲得的，但是流程老復雜了，獨苗一個，型號AD8428ARZ，這個東東是好東西，值得垂涎一下。

放大器下看看絲印。

因為全程有手冊，提供了官方的設計參考圖。這個原理圖看似極簡設計，其實各種共模和差模參數極其強悍，因為專門為這個出了包括《你好放大器》這樣的神作，就不搞文字搬運了，這里省掉n千字。

轉換成適合模擬運行的電路設計，這里需要增加互補的電壓源作為輸入信號，在LTspice中，這個參數可以完美修改，甚至可以編程成為特定波形，如方波，三角波，正弦波，你想你就可以擁有。

執行暫態模擬的結果如下，對應于一個1.8毫秒的脈沖，就這個樣子。

這個原理圖還可以導出BOM元件表，

這些元件的參數都可以任意調整和變化，反復多種測試，選擇最合適的匹配參數。

其中電容器的變化和適配對性能的影響最大。其中影響最大的就是ESR，對于平波，濾波和去耦都有極大的好處。通常意義的電容等效電路如下：

對不同的輸入頻率，ESR和等效阻抗Z的頻率相應如下，在特征頻率下取得最優數值。

2.2.3 不斷更換上面的電容值，

C5, C7 =10uF

C2 ,C3 =4.7uF ,

C1 =4.7uF , 大約為C2和C3的10倍

C4,C6 =0.1uF MLCC，

穩態模擬結果如下。

對應于電容的參數都是可以隨時調整的，如調整C5的ESR值，更換為最終選擇電容的參數0.06歐。

其他模擬如暫態模擬，交流搖擺模擬等都可以一鍵完成,下面是一部分游戲過程的截圖。

這個可比當年在面包板上插積木好玩多了，也可以重新理解當時老師講的一些規律性的東西。唯一欠缺的就是實地炸電容，燒電阻的快樂燒烤場景。

03

打板和設計

這時候設計，用的是https://easyeda.com/ ，這個也最后易幟了，不過現在的國內的名字就是力創eda，海外版的還是沒有變化。電路原理設計如下。

生產PCB。

偷懶的自動布線。

3D演示。

當然，這個是不可以的，還是要重新布局和選擇BOM，選擇合適的電容。

這才是最終版。

和最終的PCB。

輸出BOM。

打印一下。

04

手搓PCB

這個PCB有些過于簡單，就下單了手搓6件套，包括紫外光刻，這個手搓的光刻精度是毫米級的，做獨立二極管戳戳有余，但是搞5G芯片，可能還是要一些時間沉淀吧。

最后繼續降低，連光刻的不想用了，雙面板純手搓了，刻刀，油性筆，使用環保蝕刻劑硫氧化納,Na2S2O8+Cu=Na2SO4+CuSO4。

真實手搓圖，這個是把PCB設計打印在白紙上，然后刻刀刻線，然后用油性筆透描的，所以有焊盤和斷線的地方，不過，沒關系，有些手抖也沒關系，連直尺都木有用，直接拿出小學的繪畫壓箱功底，背面全黑沒有問題吧。

這邊搞雙色的。

溶解蝕刻劑，大概等10分鐘吧。

看起來不太行。

那就繼續，直到變成淺藍色，到最后。

完工。

最后，除掉油性筆痕，通常用能脫油的洗潔精就可以。

當然，大力出奇跡，用砂紙也是可以的。

手工焊，難度基本為零，美觀程度，也基本為零。

需要補充一下，經此一役，鑒于心理陰影面積過大，寧可付費打板也不再手搓了。

05

使用Arduino開發板讀數

選用Arduino MKR 1000 讀取ADC參數，因為AD8428已經放大到可以讀取的精度了，所以其實是第二級放大器是由12位精度的ADC來實現的，這個是多數MCU可以輕松搞定的，最多可以讀取4096的數據，進行0~3.3V的數據對應轉換。

參考代碼如下。

使用兩個9V電池提供差分電壓供電，這樣輸入端可以連接到心電貼片讀數。

使用串口獵人115200-N-8-1.讀取讀數，改變采用周期，這里是選擇了1kHz，這個數據可以導出為txt文件，進行更進一步處理。

06

AD8428的原理和配置

AD8428內部的邏輯圖如下，可以有3種放大配置模式。

其中差模輸入模式如下圖，放大倍數計算公式如下，可以看出，更改CD 和CC的數據就可以自行選擇放大倍數。

這個帖子主要是介紹了如何利用工具完成一款ADI放大器的設計到打板的過程。更多的技術細節和原理在ADI的各種開放資料都可以獲得，相比這個芯片的高性能，手搓雖然可以完成任務，但效果其實還是沒有完全發揮出來的。所以，后來也就不這么搞了，但是使用LTspice的過程卻從此上了癮，有原理圖都想導入spice模擬一下。

免責聲明：本文僅代表作者個人觀點，與主辦方ADI、Excelpoint世健以及EEworld無關。