AD8555型數(shù)字可編程放大器的原理及應(yīng)用

AD8555是ADI推出的一款增益及輸出失調(diào)，可數(shù)字編程的零漂移橋式傳感放大器，工作電壓為2.7 V～5.5 V，工作溫度范圍為-40℃～125℃；其數(shù)字可編程增益控制范圍為70～l 280；DC和ACCMRR高達(dá)96 dB；輸入失調(diào)電壓低(最大為

10μV)，輸入失調(diào)電壓漂移50 nV／℃；通過外接電容器，可以方便地實(shí)現(xiàn)低通濾波功能；輸入和輸出范圍很寬，能驅(qū)動(dòng)低電壓ADC。另外，AD8555還具有開路和短路故障保護(hù)以及輸出擺幅限制功能。AD8555的這些特性給設(shè)計(jì)人員在對(duì)放大器進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化時(shí)帶來極大方便，可廣泛應(yīng)用于測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的前向通道，對(duì)壓力傳感、燃料壓力傳感、平衡橋傳感、精密電流傳感、爆破壓力及泄漏壓力檢測(cè)等傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

　　2 AD8555的引腳功能

　　AD8555采用8引腳SOIC或16引腳LFCSP封裝，如圖l所示。引腳功能如下：

• 　　1腳(VDD)：正電源端；
• 　　2腳(FILT/DIGOUT)：未經(jīng)緩沖放大的低通濾波輸出；在讀模式下為編程數(shù)字輸出；
• 　　3腳(DIGIN)：程控?cái)?shù)字輸入端；
• 　　4腳(VNEG)：反相輸入端；
• 　　5腳(VPOS)：同相輸入端；
• 　　6腳(VCLAMP)：輸出箝位電壓設(shè)定端；
• 　　7腳(VOUT)：輸出端；
• 　　8腳(VSS)：負(fù)電源端。

　　3 AD8555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

　　AD8555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。Al，A2，R2，R3，P1及P2構(gòu)成放大器的第一級(jí)，A3，R4，R5，R6，R7,P3及P4構(gòu)成減法器，作為放大器的第二級(jí)，A1、A2及A3均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零，它們共同組成儀表放大器主電路，其中P1、P2及P3、P4是用于調(diào)節(jié)二級(jí)增益的數(shù)字可控電位器,二級(jí)放大器的增益溫度系數(shù)均低于2x10-4ppm/℃,通過編程能對(duì)放大器增益進(jìn)行70～l 280的大范圍調(diào)整，可以完全通過在路調(diào)整實(shí)現(xiàn)。電阻器RF通過一只外接在FILT/DIGOUT和VDD或VSS間的電容器實(shí)現(xiàn)低通濾波。A4為輸出緩沖器。A5為保護(hù)系統(tǒng)輸出的箝位電路，其最大輸出電流范圍為為5 mA~10 mA,用于給緩沖放大器A4供電,并對(duì)A4輸出的正向擺幅進(jìn)行限定,設(shè)定方法是通過外部參考電壓，AD8555允許驅(qū)動(dòng)工作電壓低于其工作電壓的A/D轉(zhuǎn)換器工作。

　　為了防止橋式傳感器的負(fù)載過重，2個(gè)差分輸入端子(VPOS和VNEG)具有高輸入阻抗和低偏置電流。自動(dòng)調(diào)零電路通過不斷修正放大器所產(chǎn)生的直流誤差使失調(diào)和失調(diào)漂移降到最低。在-40℃~+125℃溫度范圍內(nèi)，它具有10μV最大輸入失調(diào)電壓和65 nV/℃最大輸入失調(diào)電壓漂移。

　　DIGIN是單線串行接口，通過它對(duì)放大器的增益和輸出失調(diào)進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，增益調(diào)整范圍是70~1280，二級(jí)放大器的增益可以分別單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，調(diào)整到預(yù)定的增益值后，再利用DigiTrim專利多晶硅熔絲技術(shù)固定放大器的增益設(shè)置，實(shí)現(xiàn)增益永久設(shè)定。第一級(jí)增益調(diào)整通過調(diào)整Pl和P2的128步7bit編碼進(jìn)行，范圍為4.00~6.40；第二級(jí)增益調(diào)整通過調(diào)整P3和P4的8步3 bit編碼，范圍為17.5~200。在永久性固定放大器的增益設(shè)定值之前，為獲得最佳校準(zhǔn)精度，可暫時(shí)在路設(shè)置和反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)整值。第一級(jí)增益與編碼值的關(guān)系見公式(1)；第二級(jí)增益與編碼值的關(guān)系如表l所列，放大器總增益GAlN=CAIN1xGAIN2。

　　8-bit DAC提供放大器的失調(diào)電壓設(shè)置，用于補(bǔ)償輸入信號(hào)的失調(diào)誤差和給輸出信號(hào)增加1個(gè)固定偏置電壓。當(dāng)偏離其預(yù)定作用時(shí)，這種單調(diào)DAC產(chǎn)生輸出電壓，擺動(dòng)范圍是VSS(輸入代碼0)~VDD(輸入代碼255)。DAC的8-bit分辨率提供的電壓步長(zhǎng)是VDD和VSS之差的O.39％，像增益一樣，輸出失調(diào)電壓可暫時(shí)設(shè)置、評(píng)估和反復(fù)調(diào)節(jié)，然后通過多晶硅熔絲進(jìn)行永久性地固定。公式(2)描述了DAC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VDAC的近似值關(guān)系。

　　放大器的輸出電壓VOUT可由公式(3)算出，其中GAIN為電路對(duì)于差分輸入的默認(rèn)內(nèi)部初始增益，大小為70。當(dāng)2個(gè)輸入都接地時(shí)，因第一項(xiàng)接近0 V或最大10 mV(由于輸入放大器誤差)，這時(shí)電路的輸出電壓VOUT等于VDAC。

　　AD8555采用2.7 V~5.5 V單電源工作。通過每一模擬輸入端的上拉電流源實(shí)現(xiàn)電路故障檢測(cè)，可防止開路、短路和輸入懸空，當(dāng)發(fā)生其中的任何一種情況時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致輸出電壓被箝位到負(fù)電源電壓(VSS)，另外，短路和浮空輸入情況還可以通過VCLAMP端進(jìn)行檢測(cè)。輸出低通濾波器由電阻器RF和AD8555外接的一只電容器構(gòu)成，它可以方便地將輸出頻率調(diào)整在O kHz~400 kHz范圍內(nèi)。