设计说明

仪表放大器针对低噪声、低失调电压、低漂移、高 CMRR 和高精度进行了优化，但这些仪表放大器无法驱动精密 ADC，以在 ADC 采集期间正确地使信号稳定。该设计展示了一个有关如何设置增益和失调电压漂移以放大低电平非对称输入信号的示例。此外，高增益会限制 INA828 仪表放大器带宽，因此使用 OPA827 运算放大器作为缓冲器，以便可以实现 ADS8568 的最大采样率。相关的电路指导手册（采用仪表放大器驱动高电压 SAR ADC）中介绍了一种不采用宽带宽缓冲器的简化方法，与本文档中的缓冲式设计相比，该简化方法具有有限的采样速率。此外，采用缓冲式仪表放大器驱动高电压 SAR ADC 也分析了该采用单位增益的设计。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. 仪表放大器的带宽通常不足以以较高的数据速率驱动 SAR 数据转换器。当仪表放大器处于高增益状态时尤其如此。因此，需要使用宽带宽驱动器，因为采用开关电容器输入结构的 SAR ADC 具有需要在每次采集期间充满电的输入电容器。此设计中增加了 OPA827 缓冲器，从而使 ADC 能够以最大采样速率运行（ADS8568 510kSPS，对于并行接口）。
2. 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。
3. 选择适合 C₁ 和 C_filt 的 COG 电容器，以便更大程度地减少失真。
4. 增益设置电阻器 R_g 为 0.1% 20ppm/°C 薄膜电阻器或更佳的电阻器，以实现低增益误差和低增益漂移。
5. TI 高精度实验室 视频系列介绍了选择驱动器放大器以及电荷桶电路 R_filt 和 C_filt 的方法。有关详细信息，请观看 SAR ADC 前端元件选择简介。
6. 设置运算放大器和仪表放大器之间滤波器的截止频率，以实现抗混叠并最大程度地降低噪声。有关混叠和抗混叠滤波器的更多详细信息，请观看混叠和抗混叠滤波器。
7. 由于仪表放大器的高增益，直流误差（失调电压、增益和漂移）的影响很大。校准是最大程度地降低这些误差的好方法。有关校准的更多详细信息，请观看了解和校准 ADC 系统的失调电压和增益。

元件选型

1. 根据差分输入信号和 ADS8568 满量程输入范围确定增益。
   
2. 该设计中的输入信号是 ±10V 高电压信号，因此应将 INA828 的增益设置为 1，不需要增益电阻器 (R_g)。
   
3. 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。下图中的共模计算器指示对于 0V 共模输入，输出摆幅为 ±14.9V。
   
4. 使用 TINA-TI SPICE 和 SAR ADC 前端元件选择简介 视频中所述的方法确定 C_filt 和 R_filt 的值。本文档中所示的 R_filt 和 C _filt 值适用于这些电路；但在使用不同放大器时，需要使用 TINA-TI SPICE 确定的新值。
5. 根据您的系统要求（在该示例中为 f_cRC = 15.9kHz）选择 INA828 和 OPA827 之间的 RC 滤波器。
   

直流传输特性

下图展示了 –10V 至 +10V 差分输入的线性输出响应。有关该主题的详细理论信息，请参阅使用仪表放大器确定 SAR ADC 的线性范围。该 ADC 的满量程范围 (FSR) 处于仪表放大器的线性范围内。

交流传输特性

该设计的带宽被仿真为 14.8kHz，增益为 56.4dB (667.7V/V)。带宽限制由组合 RC 滤波器 (f_cRC = 15.9kHz) 和仪表放大器 (f_cINA=49.2kHz) 设置。

瞬态 ADC 输入稳定仿真 (510kSPS)

之所以使用 OPA827 缓冲器 (22MHz GBW)，是因为它能够响应 ADS8568 的电荷反冲产生的快速瞬态。该运算放大器缓冲器使系统能够实现 ADS8568 的最大采样率 (510kSPS)。以下仿真显示了使用 INA828 和 OPA827 缓冲器以及 ADS8568 趋稳至满量程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，满足所需的 ½LSB (152µV)。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

该部分概要介绍如何使用简化的噪声计算方法进行粗略估算。我们在该计算中忽略了 OPA827 产生的噪声，因为 INA828 的噪声占主导地位，也忽略了电阻器噪声，因为它在高于 15.92kHz 的频率下会衰减。

请注意，计算值与仿真值之间匹配良好（仿真值 = 563µV_RMS，计算值 = 595µV_RMS）。有关放大器噪声计算的详细理论，请参阅 TI 高精度实验室 - 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。

增益误差和失调电压估算

以下失调电压和失调电压漂移计算由仪表放大器主导，因为它具有高增益。增益误差计算包括 ADC 和仪表放大器的增益误差。对于失调电压和增益误差，使用最大室温值。有关系统增益和失调电压误差的详细信息，请观看误差分析背后的统计数据。

设计中采用的器件

主要文件链接

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