高精密電流放大器ADI AD8428設(shè)計(jì)到實(shí)踐的全程手搓

本次與大家分享的是世健和ADI聯(lián)合舉辦的《世健·ADI工業(yè)趴：放飛思路，解封你的超能力》主題活動的三等獎(jiǎng)文章：《高精密電流放大器ADI AD8428設(shè)計(jì)到實(shí)踐的全程手搓》。

作者：北方

01

概述

這個(gè)設(shè)計(jì)是要完成一個(gè)類似心電記錄儀的心跳電壓捕捉電路，并驗(yàn)證電容器選型對這個(gè)電路的影響。根據(jù)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(yùn)放來提高采樣電壓。兩級放大可以保證放大倍數(shù)，但是濾波和抗干擾的電路設(shè)計(jì)就復(fù)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(chǎn)替代一直在進(jìn)行中，但是作為模擬芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)卻很需要時(shí)間積累和經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)軟件，極大降低了開發(fā)者的技術(shù)難度，提高了效率，保證了質(zhì)量。小插一個(gè)無關(guān)設(shè)計(jì)的小觀點(diǎn)，其實(shí)，國產(chǎn)替代也是個(gè)循序漸進(jìn)的過程，世界還是挺大的，合作共贏、共同達(dá)成商業(yè)目標(biāo)才是持久之路。ADI技術(shù)領(lǐng)先，保證供應(yīng)，價(jià)格合理，是非常值得選擇的。

這個(gè)是最后的電路設(shè)計(jì)圖。

PCB電路設(shè)計(jì)圖如下：

02

模擬設(shè)計(jì)

使用ADI的輔助工具進(jìn)行AD8428 Instrumentation Amplifier模擬設(shè)計(jì)。

使用ADIsim軟件

模擬設(shè)計(jì)軟件先不說好用不好用，首先是非常好玩的。ADIsim是一個(gè)非常友好的模擬工具，易于使用，而且還是免費(fèi)的。AD8428在做設(shè)計(jì)的時(shí)候還是一款新品，所以沒有在這個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)置，當(dāng)然，首先要真正了解并熟悉這款新品才行。

使用ADIsim的設(shè)計(jì)圖，

進(jìn)行功能模擬的結(jié)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?yàn)橛懈玫奶嫔怼?/p>

LTspice

LTspice是Linear的頭牌，中文是凌特，已經(jīng)被ADI并購了，大家看到LT起頭的ADI產(chǎn)品，實(shí)際上源自Linear，而LTspice就是對標(biāo)ADIsim并超越ADIsim的頂流。深切懷疑，Linear被并購的原因就是因?yàn)樾貞牙蠰Tspice，而招致“失身之禍”。相比AD打頭的產(chǎn)品，大家都知道LT打頭的都主打一個(gè)性價(jià)比，其實(shí)也是很能打的，當(dāng)初被并購也是花了大價(jià)錢的，應(yīng)該更是兩情相悅的結(jié)果。因?yàn)?，這樣對LTspice來說，ADI也是官方全系列支持的。當(dāng)然，現(xiàn)在還是需要導(dǎo)入spice的。

原理圖的設(shè)計(jì)

AD8428是根據(jù)ADI樣片申請獲得的，但是流程老復(fù)雜了，獨(dú)苗一個(gè)，型號AD8428ARZ，這個(gè)東東是好東西，值得垂涎一下。

放大器下看看絲印。

因?yàn)槿逃惺謨?，提供了官方的設(shè)計(jì)參考圖。這個(gè)原理圖看似極簡設(shè)計(jì)，其實(shí)各種共模和差模參數(shù)極其強(qiáng)悍，因?yàn)閷ｉT為這個(gè)出了包括《你好放大器》這樣的神作，就不搞文字搬運(yùn)了，這里省掉n千字。

轉(zhuǎn)換成適合模擬運(yùn)行的電路設(shè)計(jì)，這里需要增加互補(bǔ)的電壓源作為輸入信號，在LTspice中，這個(gè)參數(shù)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(zhí)行暫態(tài)模擬的結(jié)果如下，對應(yīng)于一個(gè)1.8毫秒的脈沖，就這個(gè)樣子。

這個(gè)原理圖還可以導(dǎo)出BOM元件表，

這些元件的參數(shù)都可以任意調(diào)整和變化，反復(fù)多種測試，選擇最合適的匹配參數(shù)。

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(yīng)如下，在特征頻率下取得最優(yōu)數(shù)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(wěn)態(tài)模擬結(jié)果如下。

對應(yīng)于電容的參數(shù)都是可以隨時(shí)調(diào)整的，如調(diào)整C5的ESR值，更換為最終選擇電容的參數(shù)0.06歐。

其他模擬如暫態(tài)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(gè)可比當(dāng)年在面包板上插積木好玩多了，也可以重新理解當(dāng)時(shí)老師講的一些規(guī)律性的東西。唯一欠缺的就是實(shí)地炸電容，燒電阻的快樂燒烤場景。

03

打板和設(shè)計(jì)

這時(shí)候設(shè)計(jì)，用的是https://easyeda.com/ ，這個(gè)也最后易幟了，不過現(xiàn)在的國內(nèi)的名字就是力創(chuàng)eda，海外版的還是沒有變化。電路原理設(shè)計(jì)如下。

生產(chǎn)PCB。

偷懶的自動布線。

3D演示。

當(dāng)然，這個(gè)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P(guān)CB

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

最后繼續(xù)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(huán)保蝕刻劑硫氧化納,Na2S2O8+Cu=Na2SO4+CuSO4。

真實(shí)手搓圖，這個(gè)是把PCB設(shè)計(jì)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(guān)系，有些手抖也沒關(guān)系，連直尺都木有用，直接拿出小學(xué)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(xù)，直到變成淺藍(lán)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(dāng)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(bǔ)充一下，經(jīng)此一役，鑒于心理陰影面積過大，寧可付費(fèi)打板也不再手搓了。

05

使用Arduino開發(fā)板讀數(shù)

選用Arduino MKR 1000 讀取ADC參數(shù)，因?yàn)锳D8428已經(jīng)放大到可以讀取的精度了，所以其實(shí)是第二級放大器是由12位精度的ADC來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)是多數(shù)MCU可以輕松搞定的，最多可以讀取4096的數(shù)據(jù)，進(jìn)行0~3.3V的數(shù)據(jù)對應(yīng)轉(zhuǎn)換。

參考代碼如下。

使用兩個(gè)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(shù)。

使用串口獵人115200-N-8-1.讀取讀數(shù)，改變采用周期，這里是選擇了1kHz，這個(gè)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為txt文件，進(jìn)行更進(jìn)一步處理。

06

AD8428的原理和配置

AD8428內(nèi)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(shù)計(jì)算公式如下，可以看出，更改CD 和CC的數(shù)據(jù)就可以自行選擇放大倍數(shù)。

這個(gè)帖子主要是介紹了如何利用工具完成一款A(yù)DI放大器的設(shè)計(jì)到打板的過程。更多的技術(shù)細(xì)節(jié)和原理在ADI的各種開放資料都可以獲得，相比這個(gè)芯片的高性能，手搓雖然可以完成任務(wù)，但效果其實(shí)還是沒有完全發(fā)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(dǎo)入spice模擬一下。

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