儀表放大器的動(dòng)態(tài)計(jì)算和使用裕量圖簡化儀表放大器設(shè)計(jì)

簡介

對(duì)于運(yùn)算放大器，確定裕量限值是很簡單的。設(shè)計(jì)人員只需考慮兩個(gè)限制：輸入共模電壓范圍和輸出電壓擺幅。然而，確定儀表放大器的裕量限值則較為復(fù)雜。最常見的儀表放大器架構(gòu)是集合兩到三個(gè)運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器都有自己的輸入和輸出范圍。這些限制結(jié)合之后，導(dǎo)致儀表放大器的工作范圍取決于共模電壓、增益和REF引腳電壓。儀表放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的裕量圖會(huì)顯示飽和邊界，但這些圖僅代表從最常見配置獲得的數(shù)據(jù)，且仍會(huì)引起一些混淆。本文為了澄清關(guān)于儀表放大器裕量圖（也稱為VCM與VOUT關(guān)系圖或鉆石圖）的主要混淆之處，并介紹用來動(dòng)態(tài)計(jì)算儀表放大器裕量限值的ADI Web工具，它可以大大簡化儀表放大器設(shè)計(jì)。

圖1.由軌到軌運(yùn)算放大器構(gòu)成的單電源三運(yùn)放儀表放大器的鉆石圖

儀表放大器基礎(chǔ)

儀表放大器是一個(gè)閉環(huán)增益模塊，運(yùn)算放大器則設(shè)計(jì)成高開環(huán)增益模塊。當(dāng)通過無源和有源器件的各種組合應(yīng)用反饋時(shí)，運(yùn)算放大器可配置用來執(zhí)行許多不同功能，而儀表放大器只能將其輸入端之間的差分信號(hào)乘以一個(gè)固定或可編程的增益量，并抑制兩個(gè)輸入共有的任何信號(hào)（共模電壓）。儀表放大器具有兩個(gè)平衡的高阻抗輸入，以避免成為傳感器或信號(hào)源的負(fù)載。儀表放大器具有優(yōu)化的低等效輸入誤差和高共模抑制比，可在有大共模電壓的情況下測量小信號(hào)。

鉆石圖

雖然儀表放大器似乎不關(guān)心輸入共模電壓，但在內(nèi)部，它仍必須應(yīng)對(duì)此電壓。當(dāng)外部輸入和輸出電壓本來在規(guī)定范圍以內(nèi)時(shí)，共模電壓（特別是當(dāng)其接近電源時(shí)）可能引起內(nèi)部節(jié)點(diǎn)飽和。鉆石圖通過繪制每個(gè)裕量限值的組合，包括輸入范圍、輸出范圍和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，來反映這種限制。鉆石圖是一種邊界圖，顯示給定輸入共模電壓（VCM）下可實(shí)現(xiàn)的輸出電壓（VOUT），或可產(chǎn)生給定輸出電壓的輸入共模電壓范圍。

雖然儀表放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的鉆石圖顯示了儀表放大器的所有輸入范圍、輸出擺幅和內(nèi)部裕量限值，但電源電壓、REF引腳電壓（VREF）和增益等電路配置參數(shù)也會(huì)影響鉆石圖。對(duì)于構(gòu)成儀表放大器的每個(gè)運(yùn)放，輸入和輸出裕量限值與電源電壓成比例，意味著改變電源電壓會(huì)使鉆石圖擴(kuò)大或收縮。此外，根據(jù)儀表放大器理想傳遞函數(shù)，輸出電壓與差分輸入電壓、增益和VREF相關(guān)：

VOUT = 增益× VIN_DIFF + VREF

其中：

● VIN_DIFF為差分輸入電壓，定義為V+IN ? V?IN。

● VREF為REF引腳電壓。

由于VREF和增益均影響輸出電壓，并且輸出電壓是x軸變量，所以VREF和增益也可能影響鉆石圖形狀。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)手冊(cè)試圖通過一系列圖形來顯示這些變化并涵蓋大多數(shù)常見配置，有時(shí)候還會(huì)通過一組公開公式來描述裕量限值。

為了簡化儀表放大器電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程，儀表放大器鉆石圖工具可計(jì)算任何用戶配置的ADI儀表放大器鉆石圖限值。

如何查看鉆石圖

無需進(jìn)行詳細(xì)分析，便可了解如何在設(shè)計(jì)中使用鉆石圖，從而確保電路在圖中的有效范圍內(nèi)工作。當(dāng)電路在鉆石圖范圍內(nèi)工作時(shí)，不會(huì)發(fā)生飽和，儀表放大器會(huì)發(fā)揮預(yù)期性能。為了確保這一點(diǎn)，首先必須了解電路的工作電壓范圍。

信號(hào)范圍和鉆石圖相結(jié)合以避免飽和

每個(gè)電路都有一個(gè)信號(hào)工作電壓范圍，共模和差分輸入電壓在該范圍上變化。信號(hào)工作電壓范圍可直接在鉆石圖上繪制。如果工作范圍完全在鉆石圖內(nèi)部，電路就不會(huì)有飽和問題。電路的工作范圍可以非常簡單，給定共模電壓時(shí)，所需輸出范圍是一條水平線。更多時(shí)候，設(shè)計(jì)必須考慮（更確切的說法是抑制）一系列共模電壓。用圖形表示的話，這看起來像是一個(gè)從VCM_MIN到VCM_MAX和從VOUT_MIN到VOUT_MAX的方框。最后一個(gè)麻煩的地方是當(dāng)輸入電壓為單端（一個(gè)輸入為固定電壓，而另一個(gè)輸入為變化電壓）時(shí)，共模電壓會(huì)隨著輸入信號(hào)而變化。表示VCM與VOUT關(guān)系的直線的斜率為±1/（2G），因此，當(dāng)增益很高時(shí)，它趨于水平，但在較低增益時(shí)則大不相同。圖2至圖4顯示了三種情況的輸入信號(hào)條件及其圖形表示。

每種條件的適用例子如下：

● 四元件變化電橋是差分輸入例子

● 負(fù)引腳接地的隔離熱電偶測量是+IN單端輸入信號(hào)例子

● 正供電軌上的高端電流檢測是-IN單端輸入信號(hào)例子

對(duì)于特定電路，如果不清楚哪種方法合適，那么只要知道最大和最小共模電壓，就可以使用差分輸入，因?yàn)樗峭ㄓ梅椒?。不過，所得的方框可能會(huì)覆蓋電路實(shí)際上不會(huì)在其中工作的圖形區(qū)域。

圖2.差分輸入信號(hào)條件及其圖形表示

圖3.+IN單端輸入信號(hào)條件及其圖形表示

圖4.-IN單端輸入信號(hào)條件及其圖形表示

解構(gòu)鉆石圖

鉆石圖代表各種裕量限值的集合。了解這些限值是從哪里來的以及它們出現(xiàn)在鉆石圖上的位置，可以幫助設(shè)計(jì)人員更有效地應(yīng)用儀表放大器。

首先考慮所有儀表放大器都必須遵守的基本限值：輸入范圍和輸出范圍。這些限值如圖5所示。變換到鉆石圖中使用的VCM與VOUT軸上時(shí)，輸出范圍限值表現(xiàn)為VOUT = VOUT_H或VOUT = VOUT_L的垂直線。換言之，為了避免飽和，水平軸變量VOUT必須大于VOUT_L且小于VOUT_H。

輸入范圍稍難一點(diǎn)。如果VIN_DIFF設(shè)置為0 V，假設(shè)VREF在輸出范圍以內(nèi)，則輸出電壓變?yōu)閂OUT = VREF。在這些條件下，仍在范圍以內(nèi)的最大和最小共模電壓分別為額定輸入范圍限值VIN_H和VIN_L。當(dāng)輸入位于這些限值之一時(shí)，要移動(dòng)輸出電壓，其中一個(gè)輸入必須離開限值。完成移動(dòng)之后，共模電壓（VCM，定義為（V+IN + V?IN）/2）改變±ΔVOUT × 1/（2G），其中G為儀表放大器增益，符號(hào)取決于哪一個(gè)輸入離開限值。從公式中可以看出，增益為1時(shí)，斜率（m）為±?。增益提高時(shí)，斜率降低。如果增益高于10左右，則輸入范圍限值看起來像是一條水平線。

電路設(shè)計(jì)人員一般會(huì)在參考鉆石圖之前考慮輸入范圍和輸出范圍，確定這些基本限值之后，儀表放大器架構(gòu)施加的其他限值在鉆石圖上便很明顯。理想儀表放大器僅有圖5所示的限值以及軌到軌輸入和軌到軌輸出。多數(shù)儀表放大器還有其他鉆石圖限制。事實(shí)上，采用特殊間接電流反饋架構(gòu)的AD8237是業(yè)界僅有的若干能在大多數(shù)配置中符合理想鉆石圖的儀表放大器之一。

圖5.僅顯示輸入范圍和輸出范圍限值的鉆石圖

多數(shù)儀表放大器基于圖6所示的傳統(tǒng)三運(yùn)放架構(gòu)，因此，討論三運(yùn)放型儀表放大器以對(duì)內(nèi)部限制有所了解是值得的。在三運(yùn)放儀表放大器中，增益在第一級(jí)中應(yīng)用，而共模電壓在第二級(jí)中消除。因此，前置放大器級(jí)的兩個(gè)輸出為VCM ± G × VIN_DIFF/2。將這些限值再轉(zhuǎn)換到VCM與VOUT軸上，前置放大器輸出限制的斜率為±1/（2 × GD），其中GD為減法器增益。GD典型值為1，如圖6電路所示。此斜率與前置放大器增益無關(guān)，即使輸入范圍在較高增益時(shí)趨于水平，該內(nèi)部前置放大器的輸出范圍限值也不會(huì)變平。

唯一需要考慮的其他限值是減法器運(yùn)放的輸入范圍。減法器運(yùn)放的輸入位于一個(gè)電阻分壓器（其在前置放大器正輸出與REF引腳之間）的中心。REF引腳電壓通常在中間電源電壓附近；因此，它也會(huì)將減法器運(yùn)放的輸入拉向中間電源電壓。結(jié)果，此限值通常并不會(huì)影響電路，除非VREF和前置放大器正輸出均非常接近同一電源電壓。

圖6.基本三運(yùn)放儀表放大器

可將所有這些限值放在一起來解釋整個(gè)圖。圖7為AD8221數(shù)據(jù)手冊(cè)中的G = 100圖，標(biāo)簽顯示了哪個(gè)線段代表哪個(gè)限值。輸出范圍是垂直線，輸入范圍近乎平坦（斜率為±1/200），前置放大器輸出范圍的斜率為±?。

圖7.AD8221帶標(biāo)簽的鉆石圖

ADI公司鉆石圖工具

為了簡化生成和使用鉆石圖的過程，ADI公司開發(fā)了一款在線儀表放大器鉆石圖工具。該工具根據(jù)用戶給定的電路條件計(jì)算ADI儀表放大器鉆石圖，并檢測信號(hào)范圍是否在儀表放大器的工作范圍以內(nèi)（參見圖8）。該工具還會(huì)檢查一些常見錯(cuò)誤，例如增益或電源電壓是否超出儀表放大器范圍。

圖8.ADI公司儀表放大器鉆石圖工具屏幕截圖

為節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，儀表放大器鉆石圖工具還會(huì)生成一個(gè)滿足所有電路條件和裕量要求的推薦儀表放大器列表（參見圖9）。此列表可以在工具本身中按參數(shù)篩選，只需單擊Filter this list by specifications（按規(guī)格篩選此列表）；也可在ADI網(wǎng)站的參數(shù)搜索表格中查看，只需單擊View parametrics for recommended in-amps（查看推薦儀表放大器參數(shù)）。在工具內(nèi)部按規(guī)格篩選的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)所選增益來顯示相應(yīng)的性能指標(biāo)，便于直接比較哪一款器件更適合設(shè)計(jì)。

圖9.鉆石圖工具產(chǎn)生的推薦儀表放大器列表

結(jié)語

利用儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免意外飽和，必須對(duì)鉆石圖有基本了解。雖然鉆石圖非常有用，但它取決于電路配置，因此，必須根據(jù)設(shè)計(jì)中的特定電路條件來生成鉆石圖。對(duì)于新設(shè)計(jì)，把鉆石圖作為儀表放大器選擇的第一準(zhǔn)則可節(jié)省時(shí)間；但在過去，很難通過這種方式來縮小設(shè)計(jì)選擇范圍。利用儀表放大器鉆石圖工具可以快速評(píng)估裕量考慮，使得設(shè)計(jì)人員可以放心地把注意力轉(zhuǎn)移到性能考慮上。

責(zé)任編輯：gt