設(shè)計(jì)說(shuō)明

儀表放大器針對(duì)低噪聲、低失調(diào)電壓、低漂移、高 CMRR 和高精度進(jìn)行了優(yōu)化，但這些儀表放大器無(wú)法驅(qū)動(dòng)精密 ADC，以在 ADC 采集期間正確地使信號(hào)穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)展示了一個(gè)有關(guān)如何設(shè)置增益和失調(diào)電壓漂移以放大低電平非對(duì)稱輸入信號(hào)的示例。此外，高增益會(huì)限制 INA828 儀表放大器帶寬，因此使用 OPA827 運(yùn)算放大器作為緩沖器，以便可以實(shí)現(xiàn) ADS8568 的最大采樣率。相關(guān)的電路指導(dǎo)手冊(cè)（采用儀表放大器驅(qū)動(dòng)高電壓 SAR ADC）中介紹了一種不采用寬帶寬緩沖器的簡(jiǎn)化方法，與本文檔中的緩沖式設(shè)計(jì)相比，該簡(jiǎn)化方法具有有限的采樣速率。此外，采用緩沖式儀表放大器驅(qū)動(dòng)高電壓 SAR ADC 也分析了該采用單位增益的設(shè)計(jì)。該電路實(shí)施適用于所有需要精密信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的 PLC 中的橋式傳感器 和模擬輸入模塊。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 儀表放大器的帶寬通常不足以以較高的數(shù)據(jù)速率驅(qū)動(dòng) SAR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)儀表放大器處于高增益狀態(tài)時(shí)尤其如此。因此，需要使用寬帶寬驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)椴捎瞄_(kāi)關(guān)電容器輸入結(jié)構(gòu)的 SAR ADC 具有需要在每次采集期間充滿電的輸入電容器。此設(shè)計(jì)中增加了 OPA827 緩沖器，從而使 ADC 能夠以最大采樣速率運(yùn)行（ADS8568 510kSPS，對(duì)于并行接口）。
2. 使用儀表放大器的共模輸入范圍計(jì)算器 軟件工具檢查放大器的共模范圍。
3. 選擇適合 C₁ 和 C_filt 的 COG 電容器，以便更大程度地減少失真。
4. 增益設(shè)置電阻器 R_g 為 0.1% 20ppm/°C 薄膜電阻器或更佳的電阻器，以實(shí)現(xiàn)低增益誤差和低增益漂移。
5. TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 視頻系列介紹了選擇驅(qū)動(dòng)器放大器以及電荷桶電路 R_filt 和 C_filt 的方法。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)觀看 SAR ADC 前端元件選擇簡(jiǎn)介。
6. 設(shè)置運(yùn)算放大器和儀表放大器之間濾波器的截止頻率，以實(shí)現(xiàn)抗混疊并最大程度地降低噪聲。有關(guān)混疊和抗混疊濾波器的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)觀看混疊和抗混疊濾波器。
7. 由于儀表放大器的高增益，直流誤差（失調(diào)電壓、增益和漂移）的影響很大。校準(zhǔn)是最大程度地降低這些誤差的好方法。有關(guān)校準(zhǔn)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)觀看了解和校準(zhǔn) ADC 系統(tǒng)的失調(diào)電壓和增益。

元件選型

1. 根據(jù)差分輸入信號(hào)和 ADS8568 滿量程輸入范圍確定增益。
   
2. 該設(shè)計(jì)中的輸入信號(hào)是 ±10V 高電壓信號(hào)，因此應(yīng)將 INA828 的增益設(shè)置為 1，不需要增益電阻器 (R_g)。
   
3. 使用儀表放大器的共模輸入范圍計(jì)算器 確定 INA826 是否超出共模范圍。下圖中的共模計(jì)算器指示對(duì)于 0V 共模輸入，輸出擺幅為 ±14.9V。
   
4. 使用 TINA-TI SPICE 和 SAR ADC 前端元件選擇簡(jiǎn)介 視頻中所述的方法確定 C_filt 和 R_filt 的值。本文檔中所示的 R_filt 和 C _filt 值適用于這些電路；但在使用不同放大器時(shí)，需要使用 TINA-TI SPICE 確定的新值。
5. 根據(jù)您的系統(tǒng)要求（在該示例中為 f_cRC = 15.9kHz）選擇 INA828 和 OPA827 之間的 RC 濾波器。
   

直流傳輸特性

下圖展示了 –10V 至 +10V 差分輸入的線性輸出響應(yīng)。有關(guān)該主題的詳細(xì)理論信息，請(qǐng)參閱使用儀表放大器確定 SAR ADC 的線性范圍。該 ADC 的滿量程范圍 (FSR) 處于儀表放大器的線性范圍內(nèi)。

交流傳輸特性

該設(shè)計(jì)的帶寬被仿真為 14.8kHz，增益為 56.4dB (667.7V/V)。帶寬限制由組合 RC 濾波器 (f_cRC = 15.9kHz) 和儀表放大器 (f_cINA=49.2kHz) 設(shè)置。

瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定仿真 (510kSPS)

之所以使用 OPA827 緩沖器 (22MHz GBW)，是因?yàn)樗軌蝽憫?yīng) ADS8568 的電荷反沖產(chǎn)生的快速瞬態(tài)。該運(yùn)算放大器緩沖器使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) ADS8568 的最大采樣率 (510kSPS)。以下仿真顯示了使用 INA828 和 OPA827 緩沖器以及 ADS8568 趨穩(wěn)至滿量程直流輸入信號(hào)的情況。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路，滿足所需的 ?LSB (152μV)。請(qǐng)參閱 SAR ADC 前端元件選擇簡(jiǎn)介，了解有關(guān)此主題的詳細(xì)理論。

噪聲仿真

該部分概要介紹如何使用簡(jiǎn)化的噪聲計(jì)算方法進(jìn)行粗略估算。我們?cè)谠撚?jì)算中忽略了 OPA827 產(chǎn)生的噪聲，因?yàn)?INA828 的噪聲占主導(dǎo)地位，也忽略了電阻器噪聲，因?yàn)樗诟哂?15.92kHz 的頻率下會(huì)衰減。

請(qǐng)注意，計(jì)算值與仿真值之間匹配良好（仿真值 = 563μV_RMS，計(jì)算值 = 595μV_RMS）。有關(guān)放大器噪聲計(jì)算的詳細(xì)理論，請(qǐng)參閱 TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - 運(yùn)算放大器：噪聲 4；有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換噪聲，請(qǐng)參閱計(jì)算 ADC 系統(tǒng)的總噪聲。

增益誤差和失調(diào)電壓估算

以下失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移計(jì)算由儀表放大器主導(dǎo)，因?yàn)樗哂懈咴鲆?。增益誤差計(jì)算包括 ADC 和儀表放大器的增益誤差。對(duì)于失調(diào)電壓和增益誤差，使用最大室溫值。有關(guān)系統(tǒng)增益和失調(diào)電壓誤差的詳細(xì)信息，請(qǐng)觀看誤差分析背后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)中采用的器件

主要文件鏈接

德州儀器 (TI)，SBAC215 源文件，軟件支持