基于儀表放大器的PT100橋式電路設(shè)計

上個月做電阻抗法血細胞計數(shù)(又叫庫爾特原理)預(yù)研，考慮用儀表放大器試試效果，因為它的共模抑制比CMRR非常高如低頻到60Hz能達到120dB;實測效果還不錯的?，F(xiàn)在這個項目已經(jīng)停了……不過還是借此基本弄清楚了儀表放大器的輸入輸出限制的原理，會用ADI的鉆石圖工具仿真了。因此，本文的內(nèi)容就是應(yīng)用學(xué)到的知識，就很常見的PT100橋式電路，用ADI儀表放大器在線工具鉆石圖輔助做設(shè)計的過程。

設(shè)計目標：

1.PT100測溫限制為0℃~150℃;2.供電電源0~5V;3.PT100放大電路輸出為0~2.5V之間，因為量化器件ADC的基準源為常見的2.5V;4.電路板能夠在-40℃~80℃工作。以上這些設(shè)計輸入條件足夠完成儀表放大器輸入輸出的驗證了。

電路圖：

圖1 PT100放大電路

儀表表放大器輸入輸出限制分析：

由設(shè)計目標中的設(shè)計條件，我們就能夠算處Vdiff最小值和最大值，Vcm最小值和最大值，以及儀表放大器的增益，這樣就能夠利用鉆石圖工具仿真輸入輸出限制了。

Vdiff_min = Vin+_min – Vin- = 0.0375V

Vdiff_max = Vin+_max – Vin- = 0.2629V

Vcm_min = (Vin+_min + Vin-) / 2 = 0.4357V

Vcm_max = (Vin+_max + Vin-) / 2 = 0.5484V

通過上述四個公式，代入電路圖中的各個器件的數(shù)值，就能夠分別算出Vdiff和Vcm的最小值和最大值了。

由Vdiff_max=0.2629和Vout限制在0~2.5V之間，我們還可以算出增益可為8。

下面我們可以隨便選個ADI的儀表放大器，用鉆石圖工具分析它的輸入輸出限制是否滿足要求即可，見圖2。由圖2的結(jié)果，我們可以看到紅色的框框沒有在鉆石圖的白色區(qū)域，出現(xiàn)了感嘆號，說明電路是有問題的。左下角給出了問題原因和更改建議。上面一欄有“內(nèi)部電路”選項，點開它，我們可以了解到底是哪里出問題了，參見圖3。

從中，我們也可以明白為什么儀表放大器的輸入輸出限制需要專門工具來仿真更方便，因為內(nèi)部架構(gòu)包含了三個運放，以及參考電壓輸入，這些都跟它的輸入輸出限制有關(guān)系;不像運放只需要簡單的查數(shù)據(jù)手冊就能夠知道了。圖2上面一欄有個推薦器件，這樣我們可以不改變電路配置，直接更換運放來解決這個問題了，在這些推薦器件里面隨便選個即可滿足要求，我選了AD8220，見圖4。同樣，我們也看下它的內(nèi)部電路，見圖5。

圖2 AD8226作為電路中的放大器鉆石圖分析結(jié)果

圖3 鉆石圖工具可以通過查看內(nèi)部電路來了解哪里超出的限制

圖4 更換運放后鉆石圖仿真工具不再報錯

圖5 更換運放后內(nèi)部芯片內(nèi)部的節(jié)點電壓

圖6 各種顏色線條的意義

最后，設(shè)計條件中還有一個電路要在-40~80℃內(nèi)正常工作，所以我們設(shè)計要留有裕量才行。查了AD8220的數(shù)據(jù)手冊，發(fā)現(xiàn)它并沒有跟AD8226似的、各個節(jié)點電壓隨溫度變化的數(shù)據(jù)以及計算公式，所以只能夠設(shè)計留有裕量，通常全溫度范圍可能要留有幾百個毫伏的裕量。從鉆石圖仿真結(jié)果上看，紅色框框距離輸出限制比較近，保守的話，可以把增益調(diào)小一些，比如到7，拉開紅色框框距離輸出限制的距離。