基于仪表放大器的PT100桥式电路设计

上个月做电阻抗法血细胞计数(又叫库尔特原理)预研，考虑用仪表放大器试试效果，因为它的共模抑制比CMRR非常高如低频到60Hz能达到120dB;实测效果还不错的。现在这个项目已经停了……不过还是借此基本弄清楚了仪表放大器的输入输出限制的原理，会用ADI的钻石图工具仿真了。因此，本文的内容就是应用学到的知识，就很常见的PT100桥式电路，用ADI仪表放大器在线工具钻石图辅助做设计的过程。

设计目标：

1.PT100测温限制为0℃~150℃;2.供电电源0~5V;3.PT100放大电路输出为0~2.5V之间，因为量化器件ADC的基准源为常见的2.5V;4.电路板能够在-40℃~80℃工作。以上这些设计输入条件足够完成仪表放大器输入输出的验证了。

电路图：

图1 PT100放大电路

仪表表放大器输入输出限制分析：

由设计目标中的设计条件，我们就能够算处Vdiff最小值和最大值，Vcm最小值和最大值，以及仪表放大器的增益，这样就能够利用钻石图工具仿真输入输出限制了。

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

通过上述四个公式，代入电路图中的各个器件的数值，就能够分别算出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之间，我们还可以算出增益可为8。

下面我们可以随便选个ADI的仪表放大器，用钻石图工具分析它的输入输出限制是否满足要求即可，见图2。由图2的结果，我们可以看到红色的框框没有在钻石图的白色区域，出现了感叹号，说明电路是有问题的。左下角给出了问题原因和更改建议。上面一栏有“内部电路”选项，点开它，我们可以了解到底是哪里出问题了，参见图3。

从中，我们也可以明白为什么仪表放大器的输入输出限制需要专门工具来仿真更方便，因为内部架构包含了三个运放，以及参考电压输入，这些都跟它的输入输出限制有关系;不像运放只需要简单的查数据手册就能够知道了。图2上面一栏有个推荐器件，这样我们可以不改变电路配置，直接更换运放来解决这个问题了，在这些推荐器件里面随便选个即可满足要求，我选了AD8220，见图4。同样，我们也看下它的内部电路，见图5。

图2 AD8226作为电路中的放大器钻石图分析结果

图3 钻石图工具可以通过查看内部电路来了解哪里超出的限制

图4 更换运放后钻石图仿真工具不再报错

图5 更换运放后内部芯片内部的节点电压

图6 各种颜色线条的意义

最后，设计条件中还有一个电路要在-40~80℃内正常工作，所以我们设计要留有裕量才行。查了AD8220的数据手册，发现它并没有跟AD8226似的、各个节点电压随温度变化的数据以及计算公式，所以只能够设计留有裕量，通常全温度范围可能要留有几百个毫伏的裕量。从钻石图仿真结果上看，红色框框距离输出限制比较近，保守的话，可以把增益调小一些，比如到7，拉开红色框框距离输出限制的距离。