2.4 仪表放大器输入范围计算

你好 欢迎参加 TI 高精密实验室 本节将讨论使用仪表放大器 驱动 SAR 型 ADC 的设计考虑 重点讲解当使用仪表放大器设计驱动时 增益和偏移的控制 最后还会探讨一下使用软件工具 验证线性范围与共模电压之间的关系 仪表放大器或者简称 INA 抑制共模信号，放大差模信号 并且将输出移位到参考电压上 通常的 INA 会针对低噪声和低漂移做优化 以适应直流放大的场合 并且 INA 的带宽通常较低 用与放大缓变的低频传感器信号 由于带宽较低的原因 INA 通常不适合 直接驱动开关输入型的 SAR 型 ADC 但是可以直接驱动带有 PGA 的 高阻抗输入性的 SAR 型 ADC 这个例子包含了一个 INA 和一个带 PGA 的 ADC 需要合理的设计系统增益 输入信号为 ±10mV ADC 有几种输入模式 这里选择±10V 那么可以计算出 需要将输入信号放大 1000 倍 就可以得到 ±10V 的范围 INA 放大 1000 倍 通常只需要一个外置电阻 这个电阻和增益的关系 可以从芯片手册中找到 例如使用 INA826 那么根据手册的计算公式 放大 1000 倍 需要 49.9Ω 的电阻 INA 的输入输出关系为 输出电压等于输入电压乘以增益 再加上基准电压 在这个例子中 INA 的输入输出 ADC 的输入都是双极性的 所以不需要电平移位 可以将电阻设计为 49.9Ω 输入 10mV 的信号 就可以得到 10V 的 ADC 驱动信号 在前面的 TI 高精密实验室中 有个章节叫作 ADC 驱动放大器线性范围设计 ADC 驱动放大器线性范围设计 探讨了放大器共模和输出摆幅的限制 仪表放大器由多个放大器构成 图中为一个典型的三运放结构 每一个内部的放大器 都有它的输入输出范围限制 这些限制的组合 构成了仪表放大器共模范围 和输出摆幅的限制 输出摆幅受限于输入共模、供电电压 增益和基准电压 输出摆幅和这些参数的关系比较复杂 很难使用一个指标或者公式来表达 通常手册中会给出一个图表来描述 输出摆幅和共模电压之间的关系 下面这个例子 INA826 的手册中包含这个图表 用于描述共模电压与输出摆幅之间的关系 看懂这幅图的关键点在于 输出电压总是和输入差分电压 与增益的乘积相等 这个图是在特定的工作条件下测到的 所以其他条件需要做相应的转换 例如左图的供电电压为 5V 增益为 1 两种不同基准电压下 得到的共模与摆幅的关系 下面我们讨论如何使用软件 来得到任意条件下的共模与摆幅的关系