AD8555型數(shù)字可編程放大器的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞:AD8555;數(shù)字可編程;傳感信號放大器;應(yīng)用
1 引言
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,可以方便地實現(xiàn)低通濾波功能;輸入和輸出范圍很寬,能驅(qū)動低電壓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)計人員在對放大器進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化時帶來極大方便,可廣泛應(yīng)用于測試和測量系統(tǒng)的前向通道,對壓力傳感、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等傳感器信號進(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):程控數(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,A3,R4,R5,R6,R7,P3及P4構(gòu)成減法器,作為放大器的第二級,A1、A2及A3均可實現(xiàn)自動調(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)二級增益的數(shù)字可控電位器,二級放大器的增益溫度系數(shù)均低于2x10-4ppm/℃,通過編程能對放大器增益進(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個差分輸入端子(VPOS和VNEG)具有高輸入阻抗和低偏置電流。自動調(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,實現(xiàn)增益永久設(shè)定。第一級增益調(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,可暫時在路設(shè)置和反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)整值。第一級增益與編碼值的關(guān)系見公式(1);第二級增益與編碼值的關(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)償輸入信號的失調(diào)誤差和給輸出信號增加1個固定偏置電壓。當(dāng)偏離其預(yù)定作用時,這種單調(diào)DAC產(chǎn)生輸出電壓,擺動范圍是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是VDD和VSS之差的O.39%,像增益一樣,輸出失調(diào)電壓可暫時設(shè)置、評估和反復(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為電路對于差分輸入的默認(rèn)內(nèi)部初始增益,大小為70。當(dāng)2個輸入都接地時,因第一項接近0 V或最大10 mV(由于輸入放大器誤差),這時電路的輸出電壓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現(xiàn)電路故障檢測,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,都會導(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。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)。
4 AD8555在自動測量系統(tǒng)中的應(yīng)用
圖3所示為AD8555在傳感器測量前向通道中的配置。在測量系統(tǒng)前端,由于傳感器性能上的差異,往往無法滿足具備同等精度的要求,一種使各路傳感器信號滿足A/D轉(zhuǎn)換要求并達(dá)到一致的通常方法是:通過電位器對各路放大器進(jìn)行大量反復(fù)的調(diào)整,然后將其相應(yīng)增益確定下來,這種方法既費(fèi)時又費(fèi)力,非常麻煩。使用AD8555后,電路設(shè)計和調(diào)整大大簡化。因為它的增益設(shè)定和調(diào)整、失調(diào)設(shè)定和調(diào)整、輸出電壓箝位等功能均可全部用軟件分別單獨(dú)實現(xiàn),且可完全在路進(jìn)行。加之AD8555不僅能夠用來補(bǔ)償橋式傳感器的失調(diào)和增益誤差,而且可提供傳感器故障指示,這給電路的調(diào)整測試帶來極大的方便。另外,AD8555對電容性負(fù)載具有很大驅(qū)動能力,可以靈活地靠近傳感器放置,也可遠(yuǎn)離信號調(diào)理電路。
對AD8555進(jìn)行編程時需要注意幾個問題:
數(shù)據(jù)從DIGIN引腳輸入,脈寬twO為50 ns~10μs間的正脈沖向移位寄存器寫0.脈寬tw1大于等于50μs以上的正脈沖向移位寄存器寫l,編程數(shù)據(jù)脈沖之間的時間間隔ms一定要大于或等于10μs。圖4所示為向移位寄存器寫入010011的時序。單電源工作時,DIGIN引腳的電壓在VSS與O.2VDD之間為低電平0,在O.8VDD與VDD之間為高電平l。
初始狀態(tài):GAINl=4.0;GAIN2=17.5;主熔絲完好。
AD8555使用38-bit的串行控制字進(jìn)行編程寫入,分為6場,串行字格式見表2。編程步驟如下:
將VDD、VSS設(shè)定到使用電壓,在模擬模式下對一、二級增益及輸出失調(diào)設(shè)定數(shù)據(jù)輸入器件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,達(dá)到要求的精度;
將VSS設(shè)為0VDD(5.5 V),在編程模式下對各二級增益和輸出失調(diào)控制代碼進(jìn)行永久性寫入,固定AD8555指標(biāo),熔斷器件的多晶硅主熔絲;
將器件恢復(fù)為使用電壓,利用讀模式對編程代碼進(jìn)行校驗;
測量增益和輸出失調(diào),進(jìn)行功能驗證。
5 結(jié)束語
AD8555是具有可設(shè)置增益、輸出失調(diào)、故障檢測、輸出箝位和低通濾波器等功能的零漂移儀表用放大器,能簡化多點(diǎn)、多參量檢測系統(tǒng)的前向通道設(shè)計與調(diào)整,提供完整的從傳感器到ADC的信號調(diào)理路徑。