輸出電壓擺幅怎麼理解
如何支援存在大差分偏移電壓的應用而不需要增加增益級？
答案：
這可以透過在一級中利用微功耗軌到軌間接電流模式儀表放大器設計一個交流耦合和增益解決方案來實現。本文將概述這種設計的優勢，並提供分步設計指南。
簡介
在電磁流量計和生物電測量等應用中，小差分訊號與大得多的差分偏移串聯。這些偏移通常會限制電路在前端設計中可以獲得的增益，進而影響整體動態範圍。當使用較低電源電壓時，例如在電池供電的訊號鏈中，增益限制更具挑戰性。解決這個大差分偏移問題的一種方案是使用交流耦合測量訊號鏈。典型的交流耦合訊號鏈包括一個低增益儀表放大器，其後是一個高通濾波器和額外的增益級（請參閱“放大具有大直流偏移的交流訊號以支援低功耗設計”）。在大多數應用中，最好在第一級獲得儘可能多的增益，因為這有助於改善訊號鏈中其他增益級的摺合到輸入端（RTI）噪聲。本文將介紹間接電流模式儀表放大器架構的設計和實施，從而在一級中實現高增益和交流耦合。該設計採用微功耗、零漂移儀表放大器AD8237，其具有寬共模和差分輸入範圍。間接電流模式架構的其他例子有AD8420。
這種間接電流反饋的主要好處包括：
低功耗架構
沒有像其他典型架構（例如由兩個或三個運放構成的儀表放大器）那樣的鑽石圖限制
利用外部電阻匹配可以實現良好的增益漂移效能
不依賴電阻匹配便可實現高CMRR
高阻抗基準引腳
圖1所示電路提供了整體原理圖，其中選擇了間接電流模式儀表放大器AD8237。但是，為了在一級中實現高增益和交流耦合，必須在AD8237的反饋環路中實現一個積分器電路。與由兩個或三個運放構成的儀表放大器解決方案（其在應用增益後消除偏移）相比，該解決方案可提供更大的增益。對於所提出的架構，偏移校正發生在增益階段之前，因此儀表放大器可以具有較大增益。這兩種架構將在附錄中介紹。ADA4505運算放大器在反饋環路中用作積分器電路。AD8237的輸出由積分器輸入檢測，並驅動AD8237的基準引腳，迫使AD8237的輸出為VMID，後者是在ADA4505的正輸入端設定。即使積分器電路提供低通濾波器功能，在這種情況下，由於其用在反饋環路中，整體電路也會具有高通濾波器轉換函式。由於這種行為，它不僅最終會在應用增益之前阻隔任何直流偏移，從而提供比其他解決方案更大的增益，而且它對低電源電壓和大偏移更有幫助，因為剩下的工作裕量很有限。積分器電路還透過基準引腳迫使AD8237的輸出為選定的電壓。實際上，積分器迫使基準引腳相對於AD8237的FB引腳的電壓等於輸入的差分電壓，但方向相反。
圖1。採用間接電流模式架構的交流耦合訊號調理電路
設計規格示例
低功耗應用通常使用單電源，電源電壓通常在1。8V和3。6V之間。圖1所示電路的設計選擇取決於輸入訊號和偏移的幅度範圍及頻率。表1列出了圖1所示電路的示例設計規格。
該電路的設計選擇是在AD8237使用低頻寬模式的情況下做出的，以便提高增益靈活性和穩定性。
設計描述
圖1所示電路由微功耗、軌到軌儀表放大器AD8237和零輸入交越失真運算放大器ADA4505組成。這兩個器件均可由最低3。3V電源VDD供電。
此電路可以輸出一個電壓VOUT，該電壓表示輸入端的交流訊號VSIGNAL在去除直流偏移電壓VOFFSET並經放大後的訊號。此電路生成的VMID電壓用於將ADA4505的正輸入和AD8237增益級輸出共模設定為中間電源電壓。VMID由分壓器（R1、R2）生成，並由另一個ADA4505緩衝。AD8237採用超小型封裝（MSOP），ADA4505採用緊湊型晶圓級晶片規模封裝（WLCSP）。
設計注意事項
1。ADA4505-2 （1/2）的正輸入VMID將設定VREF（AD8237的基準引腳）的值，從而設定輸出VOUT。鑑於共模輸入電壓與輸出範圍的關係或鑽石圖，為確保兩個供電軌之間的輸出擺幅最大，大多數儀表放大器的最優值為中間電源電壓（+VDD/2）。設計模擬部分將介紹一種對此有幫助的鑽石圖工具。
2。考慮電路的總電源電流時，電阻值R1和R2的選擇也很重要。電阻選擇是噪聲與功耗的權衡結果。對於此電路，最好選擇較大的電阻值以最大程度地減少額外的電源電流。針對該電阻分壓器，增加的額外電源電流將是：
對於電阻分壓器（R1、R2），可以增加一個電容C1以對噪聲進行限帶，並減少對VDD的50 Hz/60 Hz或其他干擾。電容越大，噪聲濾波越好；但是，上電時VMID需要更長的時間才能穩定下來。建立到1%以內所需的時間估計為：
3。選擇無源元件值（電阻和電容）時，應考慮容差。對於電阻分壓器（R1、R2），目標VMID值可能會移動，這會影響AD8237和ADA4505的輸出擺幅範圍VOUT。
從圖1所示電路可知，轉換函式將有兩個截止頻率，它們是來自反饋中ADA4505積分器電路的高通濾波器的結果和AD8237頻寬引起的低通濾波器響應。這可能會引入一些增益誤差，該誤差與積分器（ADA4505）的截止頻率和AD8237頻寬相關。因此，高通截止頻率和低通截止頻率須有一定的範圍。取決於截止頻率彼此接近的程度，增益誤差百分比可能會改變。
4。如果應用需要使用高阻抗感測器，可以在AD8237輸入端之前使用諸如ADA4505之類的緩衝器，以提供更高輸入阻抗和更低輸入偏置電流，因為緩衝器會將高阻抗輸入轉換為低阻抗輸出。在整個溫度範圍內，AD8237的輸入偏置電流最大值為1nA。
設計步驟
用於設定VMID的分壓器：
根據“設計注意事項”的第2點，對於圖1中的電路，外圍元件的值設定為R1 = R2 = 1MΩ，以使電源電流的貢獻保持在1A左右。
ADA4505之前的電阻分壓器的輸出：
假設R1和R2的容差為5%，並考慮到ADA4505偏移：
為了消除電阻的交流電源干擾和噪聲，設定C1使得截止頻率至少小於VSIGNAL最低頻率20Hz。請注意，如果需要對噪聲進一步限帶，電容值可以更大。
在這種情況下，C1設定為22nF，其提供的頻率為：
2。儀表放大器（AD8237）增益值VSIGNAL：
考慮電磁流量感測器輸出的範圍通常是從±75V到±6mV的峰峰值訊號幅度。對於圖1所示電路，幅度峰峰值訊號幅度範圍將設定為VSIGNAL = 6mV峰值，頻率為30Hz。
然後，考慮AD8237輸出擺幅範圍對供電軌的限制。這些值可以在資料手冊的“輸出擺幅”部分中找到。保守起見，先使用+25°C時RL = 10kΩ擺幅情況：
對於3。3V電源：
由於輸出是全差分式，因此最差情況下輸出相對於VMID的擺幅將是：
對於正輸入訊號（ = 1。732V）：
對於負輸入訊號（
= 1。568V）：
現在為了設定增益，計算總預期差分輸入訊號，並使用正負擺幅範圍的下限來設定最大擺幅範圍：
考慮到輸出電壓範圍限制，AD8237增益應小於253。為了留一些裕量以應對直流誤差和其他因素，圖1所示電路的增益值應小於最大值。增益和建立時間之間也需要權衡：增益越高，濾波器的時間常數越慢。鑑於以上考量，AD8237增益設定為101。
請注意設計注意事項第1步對擺幅值最大化的好處。
從資料手冊可知，增益的相關公式為：
AD8237資料手冊提供了不同增益選擇的建議電阻值。對於選定的增益101，這些電阻的值應為：RF1 = 1kΩ，RG1 =100kΩ。
3。儀表放大器（AD8237）頻寬：
4。設定高通濾波器截止頻率：
5。偏移電壓：
兩個訊號VOFFSET和VCM都有限制。
正如預期的那樣，直流偏移可能比在大多數應用中通常發現的要大。在這種情況下，電壓值必須為VOFFSET ≤ ±VMID。如果直流偏移大於此限值，則VREF電壓值將超出ADA4505的電源電壓範圍。與基準引腳相關的公式為：VREF = VMID – VOFFSET。VOFFSET將設定為1V。
至於共模電壓，它與VOFFSET值直接相關，因為VCM必須在範圍內：
如果未驗證這些限制，則AD8237的輸入值在電源電壓範圍以上或以下。VCM將設定為1。65V。
設計模擬
為了檢查儀表放大器的共模輸入範圍與輸出電壓的關係或鑽石圖，需要提供電源電壓+VDD、基準電壓、增益、共模擺幅和差分輸入擺幅。ADI公司的儀表放大器鑽石圖工具可幫助瞭解輸入擺幅是否在器件的工作範圍以內。請注意，該工具使用的輸出擺幅使用最差情況的負載條件（最小阻性負載）。因此，如果按照該工具的限值進行設計，則對於較大阻性負載，系統將會有更多裕量。檢視圖2中的結果，紫色輪廓是在給定電源電壓、輸出擺幅、輸入共模範圍和器件基準電壓下AD8237的可用範圍。紅色輪廓顯示了對於給定的共模和差分輸入模式擺幅，及使用了多少可用範圍。目標是讓紅色輪廓保持在紫色輪廓以內。如果某些條件違反了此要求，工具將顯示錯誤並提供建議。務必注意，在此工具中，無法在反饋環路中實現積分器電路。但有一個變通辦法，那就是配置鑽石圖輸入訊號，就好像添加了電路的VOFFSET和VCM電壓（在圖1中）一樣。這樣就可以使用間隔（0。65V至2。65V），因為直流偏移被消除且未放大。它還表明，共模電壓可以更高，因為輸出擺幅仍有一些裕量。為了進一步瞭解儀表放大器內部發生的事情，Internal Circuitry（內部電路）選項卡會顯示內部節點的電壓。
圖2。AD8237鑽石圖工具示例
LTspice是一款出色的模擬工具，可以檢查之前進行的設計過程計算，包括其他有意義的規格，例如目標訊號帶的噪聲效能。LTspice原理圖如圖3所示。第一個模擬（圖4和圖5）是瞬態模擬，直流偏移為1V，輸入訊號為±6mV （30Hz）。圖4顯示了電路中不同級的訊號。圖5是圖4的放大版本，電路已建立，並且積分器電容充電到最終值。藍色曲線是AD8237的積分器或基準電壓引腳的輸出。紅色曲線是VMID值（等於VDD/2），綠色曲線是放大的最終30Hz輸出訊號VOUT。
圖3。LTspice原理圖
圖4。瞬態模擬結果
圖5。瞬態模擬結果放大圖
表2顯示了設計目標與瞬態模擬結果的比較。對於最大和最小VOUT值，預期值來自：VOUT = VMID ± VSIGNAL × 101；就此情況而言，預期值等於2。256V和1。044V。VREF預期值等於VMID – VOFFSET，就此情況而言，預期值為0。65V。VMID等於中間電源電壓，就此情況而言，它等於1。65V。
瞬態分析中獲得的結果和預期結果在電壓輸出方面非常相似。然而，由於積分器電容和所實現的直流偏移都很大，模擬建立以及輸出達到最終值需要17秒。該建立時間來源於以下事實：模擬始於時間0s，電容需要時間以充電至最終值。
圖6中的另一個模擬顯示了圖3中電路的頻率響應，直流偏移為1V，輸入訊號為±6mV （30Hz）。圖6中的游標1和2分別放置在高通和低通濾波器的-3dB點。表3顯示了設計目標與模擬結果的比較。
圖6。交流模擬結果
圖7中的另一個模擬顯示了圖3中電路的電壓噪聲密度與頻率RTI的關係。做法是將輸出噪聲除以解決方案的總增益（101）。對於帶通濾波器功能，需要選擇積分頻率區間來計算總噪聲。
圖7。在等效噪聲頻寬上積分的總噪聲結果
對於頻率上限，將使用之前確定的感測器最大頻率值，即220Hz。對於頻率下限，也將使用之前確定的感測器最小頻率值，即20Hz。在這種情況下，所產生的噪聲將從20Hz積分到220Hz。
由於帶通濾波器的截止頻率影響，實測噪聲實際上會更高。LTspice模擬結果假設其為磚牆濾波器在20Hz和220Hz時急劇滾降。
LTspice中的命令列設定為：noise V（VOUT） V1 dec 100 20 220。然後按住Ctrl鍵，滑鼠左鍵單擊波形名稱（V（ONOISE）/101）。使用下式可輕鬆將有效值噪聲轉換為峰峰值噪聲：
快速檢查AD8237噪聲和ADA4505噪聲可知，AD8237是主要噪聲源。
測量結果
為了驗證模擬結果，可以進行硬體測試，因為AD8237和ADA4505都提供了測試板。每個元件的焊接可以根據測試板的原理圖完成。同時使用兩個測試板時，可能需要切斷AD8237板上的走線，以將VMID電壓連線到RG電阻。
為了確保更好地理解結果，元件值來自設計步驟部分，與設計模擬相同。為了模擬電磁流量計或生物電測量感測器，可使用不同的測量裝置，例如電壓校準器和任意波形發生器。
對於此測試，輸入訊號設定為具有1V的直流偏移VOFFSET，共模電壓為1。65V，輸入訊號VSIGNAL為±6mV （30Hz）。
檢視圖8所示的結果，輸出電壓VOUT（黃色曲線）的效能相對於預期值有一個很小的電壓差，但仍與預期保持一致。
圖8。示波器螢幕截圖，黃色曲線對應於VOUT，藍色曲線對應於VREF。
表4總結了設計目標與測量結果。
設計目標與模擬結果的差異可能有多種原因。
所使用的電阻具有5%的容差，這意味著VMID值可能有所偏移。
試驗檯設定可能有侷限性，導致出現微小偏差，如實測模擬結果VOFFSET和VSIGNAL所示。
設計器件
結論
當從感測器（例如現場變送器中的電磁流量計或生物電應用中的電極）採集訊號時，目標訊號通常位於大得多的直流偏移之上。為了更容易地從這些感測器中提取相關資訊，一種解決方案是實現交流耦合的測量訊號鏈，從而在消除直流偏移的同時放大交流訊號。在反饋環路中整合一個積分器電路，儀表放大器AD8237提供增益，交流訊號得以耦合，所有這些都在一級中實現。透過在輸入級消除直流偏移，該電路使得訊號增益在測量訊號鏈的輸入端即可應用，整體測量解決方案的摺合到輸入端噪聲得以最小化。
參考資料
LTspice
LTspice是一款高效能SPICE III模擬軟體、原理圖採集工具和波形檢視器，整合增強功能和模型，簡化了開關穩壓器、線性穩壓器和訊號鏈電路的模擬。
儀表放大器鑽石圖工具
鑽石圖工具是一款Web應用程式，可生成特定配置的輸出電壓範圍與輸入共模電壓關係圖，也被稱為鑽石圖，適用ADI儀表放大器。
附錄
圖9和圖10顯示了間接電流模式儀表放大器和三運放儀表放大器。與由兩個或三個運放構成的儀表放大器解決方案（其在應用增益後消除偏移）相比，間接電流模式儀表放大器可提供更大的增益。對於所提出的架構，偏移校正發生在增益階段之前，因此儀表放大器可以具有較大增益。下面是對這兩個架構的說明。
圖9。AD8237的間接電流模式儀表放大器架構
圖10。三運放儀表放大器
圖9中的間接電流模式儀表放大器基於一級配置。輸入電壓應用於第一個GM1單元，而GM2單元在反饋環路中。內部積分器放大器A迫使VIN1的副本出現在VIN2上。積分器用於驅動增益之前的基準引腳。增益由外部電阻RFB和RG設定，等於：
圖10中的三運放架構基於兩級配置。前兩個運算放大器U1和U2、RGAIN電阻、R2電阻與R1電阻形成同相放大器，被視為輸入級。它提供單位共模增益，而差分增益由電阻RGAIN設定，等於：
最後一個運算放大器U3與R3電阻形成一個差分放大器，構成儀表放大器的輸出級。它提供單位差模增益和共模抑制。該架構的基準注入點是在應用第一級增益之後的第二級。
致謝主要顧問：
ADI科學儀器（SCI）部IC設計工程師David Plourde、ADI汽車部首席系統應用工程師Aine McCarthy、ADI科學儀器（SCI）部高階模擬應用工程師Tim Green