设计说明

仪表放大器是将低电平传感器输出转换为高电平信号以便驱动 ADC 的常用器件。通常情况下，仪表放大器经过优化而具有低噪声、低失调电压和低温漂。遗憾的是，许多仪表放大器的带宽可能不足以在最大采样速率下实现良好的 ADC 电荷反冲趋稳。本文档介绍如何调节采样速率，以实现良好的趋稳效果。此外，许多仪表放大器针对高压电源进行了优化。在需要将高电压输出（即 ±15V）连接到较低电压的 ADC（例如 5V）时，可能会需要该器件。本设计展示了如何使用肖特基二极管和串联电阻器来保护 ADC 输入免受过压情况的影响。请注意，以下电路显示了一个桥式传感器，但此方法可用于多种不同的传感器。该电路还有一个修改版本，即采用缓冲仪表放大器驱动开关电容器 SAR，该版本展示了如何使用宽带宽缓冲器实现较高的采样速率。

该电路实施适用于所有需要精密信号处理和数据转换的 PLC 中的桥式传感器 和模拟输入模块。

设计说明

1. 选择的增益应能实现与 ADC 输入范围匹配的输入摆幅。使用仪表放大器基准引脚来转换信号失调电压，以便与输入范围匹配。“元件选择”部分中介绍了该内容。
2. 输入肖特基二极管配置用于防止输入电压超出绝对最大规格。BAT54S 肖特基器件是一个很好的设计选择，因为该器件将两个二极管集成到了一个封装中，且这两个二极管具有低漏电流和低正向电压。元件选择 部分中介绍了该内容。
3. 在驱动大多数仪表放大器的基准输入端时，都需要在分压器之后配置一个缓冲放大器。请选择精密电阻器和精密低失调放大器作为缓冲器。请参阅选择合适的运算放大器，了解有关此主题的更多详细信息。
4. 使用仪表放大器的共模输入范围计算器 软件工具检查放大器的共模范围。
5. 选择 C0G 类型的 C_CM1、C_CM2、C_DIF 和 C_filt 电容器，以更大限度减少失真。
6. 对于增益设置电阻器 R_g，请使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器。该电阻器的误差和漂移会直接转化为增益误差和增益漂移。
7. TI 精密实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 R_filt 和 C_filt 的方法。虽然这种方法是针对运算放大器设计的，但是修改后亦可用于仪表放大器。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解有关此主题的详细信息。

元件选型

1. 查找仪表放大器可用于将输出摆幅设置为 0.2V 至 4.8V 的增益设置电阻器。
   
2. 查找可将输出摆幅转换到适当电压电平的 INA826 基准电压 (V_ref)。
   
3. 选择标准值电阻器来设置 INA826 基准电压 (V_ref = 3.27V)。使用模拟工程师计算器（“Passive\Find Voltage Divider”部分）找出分压器的标准值。
   
   
4. 使用仪表放大器的共模输入范围计算器 确定 INA826 是否超出共模范围。
   

直流传输特性

下图展示了 –5mV 至 +15mV 输入的线性输出响应。请观看使用仪表放大器时确定 SAR ADC 的线性范围，了解有关该主题的详细理论。请注意，该设计故意使用肖特基二极管将输出范围限制为 -0.12V 至 5.12V，以保护 ADS8860。请注意，之所以使用肖特基二极管是因为低正向压降（通常小于 0.3V）会使得输出限值非常接近 ADC 电源电压。ADS8860 的绝对最大额定值为 –0.3V < Vin < REF +0.3V。

交流传输特性

带宽被仿真为 20.1kHz，增益为 49.7dB（线性增益为 305.8）。请观看运算放大器：带宽 1 视频系列，了解有关此主题的更多详细信息。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了趋稳至 +15mV 直流输入信号的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解有关此主题的详细理论

噪声仿真

以下简化噪声计算方法用于进行粗略估算。我们忽略来自 OPA192 的噪声，因为仪表放大器处于高增益状态，所以仪表放大器的噪声占主导地位。

注意，计算结果与仿真结果匹配良好。有关放大器噪声计算的详细理论，请参阅 TI 精密实验室 - 运算放大器：噪声 4；有关数据转换噪声，请参阅计算 ADC 系统的总噪声。

可选输入滤波器

下图显示了常用的仪表放大器输入滤波器。C_dif 过滤差分噪声，而 C_cm1 和 C_cm2 过滤共模噪声。请注意，建议满足 C_dif ≥ 10C_cm 条件。这样可以防止共模噪声由于元件容差而转换为差分噪声。以下滤波器旨在实现 15kHz 的差分截止频率。

设计中采用的器件

主要文件链接

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，SBAA277 的源文件，支持软件