探索AD8230：高精度儀表放大器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的設(shè)計(jì)世界里，選擇一款合適的儀表放大器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下Analog Devices公司的AD8230，這是一款低漂移、差分采樣的精密儀表放大器，具備眾多出色的特性，能為各類測(cè)量應(yīng)用提供可靠的解決方案。

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一、AD8230的特性亮點(diǎn)

1. 增益可編程

AD8230的增益可通過(guò)兩個(gè)外部電阻進(jìn)行編程，范圍從101到1000。此外，它也能配置為低至增益為2的情況，但此時(shí)差分輸入范圍限制在約750mV，且配置增益小于10時(shí)無(wú)法充分利用完整的輸出電壓范圍。這種靈活的增益編程能力，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)增益的多樣化需求。

2. 寬電源電壓范圍

其電源電壓范圍為±4V至±8V（單電源為8V至16V），這使得AD8230在多種電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，增強(qiáng)了其在不同系統(tǒng)中的適用性。

3. 軌到軌輸入輸出

具備軌到軌的輸入和輸出能力，意味著它能夠處理接近電源軌的信號(hào)，即使在電源電壓波動(dòng)或信號(hào)幅度較大的情況下，也能保證信號(hào)的準(zhǔn)確放大和處理。

4. 出色的溫度性能

在?40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)，AD8230仍能保持高性能。其偏移電壓漂移小于50nV/°C，增益漂移受外部增益設(shè)置電阻的TC匹配影響，這些特性確保了在不同溫度環(huán)境下測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5. 優(yōu)秀的AC和DC性能

• 高共模抑制比（CMR）：在60Hz時(shí)，最小CMR可達(dá)110dB（增益G = 10至1000），能有效抑制共模噪聲，提高測(cè)量的精度。
• 低偏移電壓：最大偏移電壓為10μV（RTI，±5V工作），降低了測(cè)量誤差。
• 低增益非線性：最大增益非線性為20ppm，保證了信號(hào)放大的線性度。

二、AD8230的工作原理

AD8230采用自動(dòng)調(diào)零拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合高共模信號(hào)抑制能力。其內(nèi)部信號(hào)路徑由有源差分采樣保持級(jí)（前置放大器）和差分放大器（增益放大器）組成，兩個(gè)放大器都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零，以最小化偏移和漂移。

信號(hào)采樣率由片上6kHz振蕩器和邏輯控制，通過(guò)兩個(gè)順序時(shí)鐘相位A和B來(lái)區(qū)分內(nèi)部操作順序。在相位A，采樣電容連接到輸入，存儲(chǔ)輸入信號(hào)的差分電壓，同時(shí)抑制共模電壓；在相位B，差分信號(hào)轉(zhuǎn)移到保持電容，更新存儲(chǔ)的值，增益放大器對(duì)更新后的信號(hào)進(jìn)行處理。

三、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置與調(diào)整

1. 增益設(shè)置

增益通過(guò)兩個(gè)外部電阻 (R_F) 和 (R_G) 來(lái)設(shè)置，計(jì)算公式為 (Gain = 2(1 + frac{R_F}{R_G}))。在選擇電阻值時(shí)，要確保輸出負(fù)載與增益設(shè)置電阻之和的并聯(lián)值大于2kΩ，即 (R_L | (R_F + R_G) > 2kΩ)。同時(shí)，為了最小化高溫下的偏移電壓漂移，應(yīng)盡量減小反饋電阻 (R_F) 的值，因?yàn)?(R_G) 引腳的結(jié)泄漏電流會(huì)對(duì)偏移電壓漂移產(chǎn)生影響。

2. 輸出電平轉(zhuǎn)換

可以使用參考電壓 (V_R) 來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電平轉(zhuǎn)換，參考電壓范圍為 (-V_s + 3.5V) 至 (+V_s - 2.5V)（增益 (G < 10) 時(shí)，范圍為 (-V_s + 4.24V) 至 (+Vs - 2.75V)）。參考電壓源應(yīng)具有低輸出阻抗，能夠源出和吸收電流，并且 (V{REF}) 引腳應(yīng)連接到本地接地或參考電壓源。此外，還可以通過(guò)添加電阻 (R_O) 來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電平轉(zhuǎn)換，這種方式可以將輸出電平轉(zhuǎn)換到更接近電源軌的范圍，增加單極性輸出擺幅。

四、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 輸入特性

• 輸入電壓范圍：輸入共模范圍為軌到軌，但差分輸入電壓范圍限制在約750mV。當(dāng)輸入過(guò)載時(shí)，AD8230不會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。
• 輸入保護(hù)：內(nèi)部ESD保護(hù)二極管將輸入電壓限制在電源軌之外0.6V以內(nèi)?？梢允褂秒娮韬偷托孤┒O管來(lái)限制外部過(guò)電壓和電流，保護(hù)輸入引腳。
• 源阻抗和輸入建立時(shí)間：輸入級(jí)由兩個(gè)有源驅(qū)動(dòng)的差分開(kāi)關(guān)電容組成，為了實(shí)現(xiàn)高共模抑制，需要平衡輸入之間的寄生電容。信號(hào)源阻抗最大為10kΩ，在每個(gè)采樣周期（約85μs）內(nèi)，寄生電容需要由信號(hào)源重新充電到共模電壓。如果在輸入使用電阻和電容，要確保它們的匹配度，以最大化共模抑制比（CMRR）。

2. 電源旁路

• 單通道系統(tǒng)：使用穩(wěn)壓直流電壓為儀表放大器供電，電源引腳上的噪聲會(huì)影響性能，因此需要使用旁路電容進(jìn)行去耦。將0.1μF電容盡可能靠近每個(gè)電源引腳放置，在離器件稍遠(yuǎn)的地方可以使用10μF鉭電容。
• 多通道系統(tǒng)：為了防止多通道系統(tǒng)中的時(shí)鐘干擾，最好在PCB布局中為正電源和負(fù)電源設(shè)置星型節(jié)點(diǎn)，以最小化時(shí)鐘之間的串?dāng)_。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)星型節(jié)點(diǎn)布局，可以使用寬走線來(lái)減小寄生電感，并沿電源走線頻繁去耦。

3. 布局要點(diǎn)

AD8230有兩個(gè)參考引腳 (V{REF}1) 和 (V{REF}2)，(V{REF}1) 用于設(shè)置內(nèi)部電壓參考，會(huì)吸取電流；(V{REF}2) 用于設(shè)置輸出信號(hào)的共模，不吸取電流。這兩個(gè)引腳應(yīng)星型連接到地（或參考電壓），并且 (V_{REF}2) 與增益電阻 (R_G) 之間的走線應(yīng)盡量短，以最大化共模抑制。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 溫度測(cè)量

在熱電偶應(yīng)用中，AD8230表現(xiàn)出色。例如在工業(yè)環(huán)境中使用的熱電偶電路，通過(guò)串聯(lián)電阻和低泄漏二極管可以鉗位過(guò)載電壓，同時(shí)使用匹配的電阻形成抗混疊濾波器，減少不必要的高頻信號(hào)。該電路配置為增益193時(shí)，可提供10mV/°C的整體溫度靈敏度。

2. 壓力和應(yīng)變測(cè)量

在工業(yè)環(huán)境中測(cè)量稱重傳感器時(shí)，由于稱重傳感器通常與儀表放大器有一定距離，共模電位可能達(dá)到幾伏，超出許多5V自動(dòng)調(diào)零儀表放大器的共模輸入范圍。而AD8230的寬共模輸入電壓范圍為16V，解決了這一問(wèn)題，讓設(shè)計(jì)師無(wú)需擔(dān)心共模范圍的限制。

3. 汽車診斷

在汽車電子系統(tǒng)中，需要對(duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量和處理。AD8230的高精度、低漂移和良好的抗干擾能力，使其能夠滿足汽車診斷系統(tǒng)對(duì)信號(hào)測(cè)量的嚴(yán)格要求。

總之，AD8230憑借其卓越的性能和靈活的配置能力，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，不妨考慮這款優(yōu)秀的儀表放大器，它或許能為你的設(shè)計(jì)帶來(lái)意想不到的效果。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過(guò)類似的儀表放大器？遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)和問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。