深度了解儀表放大器之鉆石圖工具的核心技術(shù)

儀表放大器是適合壓力或溫度測(cè)量等各種應(yīng)用的出色組件，它的主要作用包括信號(hào)放大和阻抗適配。在許多情況下，儀表放大器具有參考輸入引腳。在參考引腳上增加電壓會(huì)使輸出信號(hào)升高同等電壓。這樣就能簡(jiǎn)單精確地將儀表放大器的輸出調(diào)整到ADC所需的輸入電平，從而可以使用ADC的完整輸入范圍，同時(shí)提高分辨率。在具有高共模信號(hào)的情況下，另一優(yōu)勢(shì)是極為出色的共模抑制比和高精度。

圖1所示為典型3運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中儀表放大器的內(nèi)部原理圖。AD8421具有通用特性，適合各種應(yīng)用。

使用儀表放大器時(shí)應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，最大輸出電壓取決于輸入信號(hào)（共?；虿罘中盘?hào)）、增益、電源電壓以及可能來(lái)自?xún)?nèi)部結(jié)構(gòu)的限制。在3運(yùn)算放大器架構(gòu)中，第一級(jí)放大器（反相和同相輸入）以預(yù)設(shè)增益放大輸入信號(hào)。第二級(jí)放大器起到的是減法器作用。輸出信號(hào)由兩個(gè)輸入信號(hào)相減而構(gòu)成。參考電壓會(huì)加到生成組合輸出的信號(hào)中。

生成這種內(nèi)部模擬信號(hào)后，不同的因素現(xiàn)在可能導(dǎo)致內(nèi)部飽和，并可能減少最大工作區(qū)域。

這些因素如下：

?輸入電壓信號(hào)對(duì)于預(yù)設(shè)增益過(guò)高

?參考電壓對(duì)于生成的輸出電壓信號(hào)過(guò)高

?電源電壓過(guò)低

輸出電壓和儀表放大器工作區(qū)域取決于最大輸入信號(hào)、增益、參考電壓以及所選架構(gòu)的限制，因此兩者計(jì)算起來(lái)都有難度。如果把這些因素放在一張圖中，可以得到一個(gè)菱形圖，即所謂的鉆石圖。菱形圖的空間表示可能的工作區(qū)域。計(jì)算起來(lái)并不簡(jiǎn)單，因?yàn)橛卸鄠€(gè)輸入和輸出。

儀表放大器鉆石圖工具是一款由ADI公司開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)工具，可用于此類(lèi)計(jì)算。該工具可自動(dòng)為所需輸出信號(hào)的參考電壓、輸入信號(hào)、電源電壓和增益計(jì)算可能的配置。它通過(guò)圖形顯示特定輸出信號(hào)可能的參數(shù)組合。

該工具包含所有ADI儀表放大器的規(guī)格，使用起來(lái)快捷方便。

圖1.典型儀表放大器的內(nèi)部架構(gòu)

圖2.儀表鉆石圖

圖3.儀表放大器簡(jiǎn)化原理圖

圖4.建議使用的儀表放大器

圖2至圖4所示為該工具的圖形用戶(hù)界面及其鉆石圖、內(nèi)部電路和建議使用的工具選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的窗口。

在第一個(gè)窗口（圖2）中，您可以輸入所需的全部參數(shù)，計(jì)算鉆石圖，并將其直觀顯示出來(lái)（可能的參數(shù)包括輸入信號(hào)、增益、電源電壓和參考電壓）。對(duì)于輸入信號(hào)，您可以選擇共模信號(hào)或差分信號(hào)。此外，該工具還有助于確定所選放大器的局限性并區(qū)分輸入-輸出和內(nèi)部限制?，F(xiàn)在可以估算工作區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，建議在運(yùn)算時(shí)不要太接近鉆石圖極限。

儀表放大器鉆石圖工具的第二個(gè)窗口提供該放大器的內(nèi)部視圖，并顯示詳細(xì)的原理圖（圖3）。通過(guò)此視圖可以看到技術(shù)細(xì)節(jié)和各自的內(nèi)部電壓。在需要檢查設(shè)計(jì)中可能的錯(cuò)誤時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。另外還提供控制模式來(lái)評(píng)估所選參數(shù)并提供替代方案（圖4）。

借助儀表放大器鉆石圖工具，ADI可以幫助您揭開(kāi)鉆石圖的秘密。該工具提供簡(jiǎn)單的用戶(hù)界面，24/7全天候在線(xiàn)可用，您可以隨時(shí)選擇和評(píng)估各種儀表放大器并設(shè)計(jì)更復(fù)雜的原理圖。

以下是個(gè)小測(cè)驗(yàn)：

analog.com/designtools/en/diamond/

請(qǐng)為AD8422選用差分輸入，圖中顯示增益為100，正電源電壓為15 V，負(fù)電源電壓為-15 V。參考電壓為0。共模電壓為8 V。VDIFF范圍為100 mV至148.5 mV。請(qǐng)假設(shè)我們使用全溫度范圍和10kΩ的負(fù)載。請(qǐng)使用鉆石圖工具和數(shù)據(jù)手冊(cè)解釋為什么此設(shè)置無(wú)效。

Christoph K?mmerer [christoph.kaemmerer@analog.com]自2015年2月開(kāi)始擔(dān)任ADI公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，他曾在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開(kāi)發(fā)實(shí)習(xí)生。2016年12月培訓(xùn)生項(xiàng)目結(jié)束后，Christoph正式成為ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，專(zhuān)門(mén)針對(duì)新興應(yīng)用領(lǐng)域。