【導(dǎo)讀】在許多應(yīng)用中,ADC需要在存在大共模信號(hào)的情況下處理一個(gè)很小的差分輸入信號(hào)。傳統(tǒng)的儀表放大器(In-Amp)只具有單端輸出和有限的共模范圍,因此在這些應(yīng)用中并不常用。為了充分利用這些器件的高性能和低成本,可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的 電路,將其單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出,并且改善其輸入共模范圍,使之更適合這些應(yīng)用。
許多低成本儀表放大器所具備的帶寬、直流精度和低功耗可以滿(mǎn)足所有的系統(tǒng)要求。使用儀表放大器的另一好處是,用戶(hù)無(wú)需構(gòu)建自己的差分放大器,因此省去了很多高成本的分立器件。本文將提出一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)構(gòu)建一個(gè)低成本儀表放大器并優(yōu)化其性能。此外,該解決方案的 成本和性能與單芯片儀表放大器不相上下。
圖1詳細(xì)介紹了所提出的精密系統(tǒng)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)允許用戶(hù)在存在高共模電壓的情況下測(cè)量差分信號(hào)。該電路包括一個(gè)輸入緩沖器、一個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。緩沖器驅(qū)動(dòng)儀表放 大器的參考引腳,并將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出。該電路具有非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理高達(dá)±270 V的共模電壓(采用±15 V電源供電),在正負(fù)方向幾乎達(dá)到電源電壓的20倍,這是電機(jī)控制應(yīng)用的關(guān)鍵。此外,還對(duì)輸入提供高達(dá) ±500 V的共?;虿钅K沧儽Wo(hù)。
圖1. 單端輸入差分輸出放大器
此應(yīng)用使用±5 V電源,這樣輸入電壓才能具有±80 V共模范圍。
差分輸出由如下公式確定:
共模輸出由如下公式設(shè)置:
這個(gè)電路的好處是直流差分精度取決于AD629差動(dòng)放大器和 AD8421儀表放大器,而不是
運(yùn)算放大器或者外部10 kΩ電阻。此外,這個(gè)電路充分利用了儀表放大器對(duì)其基準(zhǔn)電壓相關(guān)的輸出電壓的精確控制。雖然運(yùn)算放大器的直流性能和電阻匹配會(huì)影響直流共模輸出精度,但是這些誤差很可能會(huì)被信號(hào)鏈路上的下一個(gè)器件抑制,因此它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度的影響將會(huì)很小。
為獲得最佳交流性能,推薦使用具有高帶寬和高壓擺率的運(yùn)算放大器。此電路中選擇的運(yùn)算放大器是ADA4807。
為了避免寄生電容使ADA4807不穩(wěn)定,電阻至反相輸入端之間的走線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。如果必須使用較長(zhǎng)的走線,需使用阻值較低的電阻。
高性能ADC通常采用5 V單電源,并具有自身的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓用作差分輸出的共模電壓,從而無(wú)需使用基準(zhǔn)電壓源。因此,其輸出與ADC成比例,這意味著ADC的VREF任何變化都不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。
此差動(dòng)放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差動(dòng)放大器內(nèi)部微調(diào)電阻的比例匹配。因此,它比采用分立式放大器的儀表放大器更好。
對(duì)于采用0.1%外部電阻的分立式放大器,CMR限制為54 dB。儀表放大器集成了精密的激光微調(diào)電阻,使系統(tǒng)的CMR可達(dá)到80 dB或更高。這些電阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成,因此在一定溫度范圍內(nèi)可提供出色的比例匹配。
ADC可采用5V單電源供電,參考引腳上有2.5V低阻抗電壓源。這樣可將輸出設(shè)為中間電源,并升高ADC輸入端呈現(xiàn)的共模電壓。
示波器輸出波形曲線如圖2所示。兩個(gè)儀表放大器的增益均為 1。VIN是一個(gè)大共模電壓上的1 V pp 10 kHz正弦波。VOUT+和VOUT–分別是±0.5 V pp正弦波和余弦波。VOUT_diff是1 V pp差分輸出電壓,也就是消除共模信號(hào)后的VIN。
圖2. 電路的性能:
頂部:兩個(gè)互補(bǔ)輸出
中間:帶有大共模信號(hào)的輸入電壓
底部:差分輸出
通過(guò)增加一個(gè)電阻RG可以提高儀表放大器的增益:
此電路也可以用于功耗敏感型應(yīng)用??傡o態(tài)電流為5 mA,采用 5V雙電源,其功耗僅約50 mW,相較于其他采用基本ADC驅(qū)動(dòng)器(例如,AD8138和AD8131差分驅(qū)動(dòng)放大器)或分立式放大器的解決方案,功耗節(jié)省達(dá)50%。
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