上個(gè)月做電阻抗法血細(xì)胞計(jì)數(shù)(又叫庫(kù)爾特原理)預(yù)研，考慮用儀表放大器試試效果，因?yàn)樗墓材Ｒ种票菴MRR非常高如低頻到60Hz能達(dá)到120dB;實(shí)測(cè)效果還不錯(cuò)的。現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)停了……不過(guò)還是借此基本弄清楚了儀表放大器的輸入輸出限制的原理，會(huì)用ADI的鉆石圖工具仿真了。因此，本文的內(nèi)容就是應(yīng)用學(xué)到的知識(shí)，就很常見(jiàn)的PT100橋式電路，用ADI儀表放大器在線工具鉆石圖輔助做設(shè)計(jì)的過(guò)程。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1.PT100測(cè)溫限制為0℃~150℃;2.供電電源0~5V;3.PT100放大電路輸出為0~2.5V之間，因?yàn)榱炕骷?a href="http://www.nxhydt.com/tags/adc/" target="_blank">ADC的基準(zhǔn)源為常見(jiàn)的2.5V;4.電路板能夠在-40℃~80℃工作。以上這些設(shè)計(jì)輸入條件足夠完成儀表放大器輸入輸出的驗(yàn)證了。

電路圖：

圖1 PT100放大電路

儀表表放大器輸入輸出限制分析：

由設(shè)計(jì)目標(biāo)中的設(shè)計(jì)條件，我們就能夠算處Vdiff最小值和最大值，Vcm最小值和最大值，以及儀表放大器的增益，這樣就能夠利用鉆石圖工具仿真輸入輸出限制了。

Vdiff_min = Vin+_min – Vin- = 0.0375V

Vdiff_max = Vin+_max – Vin- = 0.2629V

Vcm_min = (Vin+_min + Vin-) / 2 = 0.4357V

Vcm_max = (Vin+_max + Vin-) / 2 = 0.5484V

通過(guò)上述四個(gè)公式，代入電路圖中的各個(gè)器件的數(shù)值，就能夠分別算出Vdiff和Vcm的最小值和最大值了。

由Vdiff_max=0.2629和Vout限制在0~2.5V之間，我們還可以算出增益可為8。

下面我們可以隨便選個(gè)ADI的儀表放大器，用鉆石圖工具分析它的輸入輸出限制是否滿足要求即可，見(jiàn)圖2。由圖2的結(jié)果，我們可以看到紅色的框框沒(méi)有在鉆石圖的白色區(qū)域，出現(xiàn)了感嘆號(hào)，說(shuō)明電路是有問(wèn)題的。左下角給出了問(wèn)題原因和更改建議。上面一欄有“內(nèi)部電路”選項(xiàng)，點(diǎn)開(kāi)它，我們可以了解到底是哪里出問(wèn)題了，參見(jiàn)圖3。

從中，我們也可以明白為什么儀表放大器的輸入輸出限制需要專門(mén)工具來(lái)仿真更方便，因?yàn)閮?nèi)部架構(gòu)包含了三個(gè)運(yùn)放，以及參考電壓輸入，這些都跟它的輸入輸出限制有關(guān)系;不像運(yùn)放只需要簡(jiǎn)單的查數(shù)據(jù)手冊(cè)就能夠知道了。圖2上面一欄有個(gè)推薦器件，這樣我們可以不改變電路配置，直接更換運(yùn)放來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題了，在這些推薦器件里面隨便選個(gè)即可滿足要求，我選了AD8220，見(jiàn)圖4。同樣，我們也看下它的內(nèi)部電路，見(jiàn)圖5。

圖2 AD8226作為電路中的放大器鉆石圖分析結(jié)果

圖3 鉆石圖工具可以通過(guò)查看內(nèi)部電路來(lái)了解哪里超出的限制

圖4 更換運(yùn)放后鉆石圖仿真工具不再報(bào)錯(cuò)

圖5 更換運(yùn)放后內(nèi)部芯片內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)電壓

圖6 各種顏色線條的意義

最后，設(shè)計(jì)條件中還有一個(gè)電路要在-40~80℃內(nèi)正常工作，所以我們?cè)O(shè)計(jì)要留有裕量才行。查了AD8220的數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)它并沒(méi)有跟AD8226似的、各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓隨溫度變化的數(shù)據(jù)以及計(jì)算公式，所以只能夠設(shè)計(jì)留有裕量，通常全溫度范圍可能要留有幾百個(gè)毫伏的裕量。從鉆石圖仿真結(jié)果上看，紅色框框距離輸出限制比較近，保守的話，可以把增益調(diào)小一些，比如到7，拉開(kāi)紅色框框距離輸出限制的距離。