高精密电流放大器ADI AD8428设计到实践的全程手搓

本次与大家分享的是世健和ADI联合举办的《世健·ADI工业趴：放飞思路，解封你的超能力》主题活动的三等奖文章：《高精密电流放大器ADI AD8428设计到实践的全程手搓》。

 

 

 

作者：北方

 

01

概述

这个设计是要完成一个类似心电记录仪的心跳电压捕捉电路，并验证电容器选型对这个电路的影响。根据微压级别的信号，至少需要24位的采集精度，或者通常是两级运放来提高采样电压。两级放大可以保证放大倍数，但是滤波和抗干扰的电路设计就复杂了。所以能选择一款高精度的仪表放大器直接解决问题是最好不过。

ADI AD8424是一款高精度电流放大器，虽然说国产替代一直在进行中，但是作为模拟芯片的设计和生产却很需要时间积累和经验验证。而ADI的模拟毫无疑问是模拟芯片的第一阵列。

本帖是全程手搓的，而ADI也提供了这样的条件，从芯片选型到模拟设计软件，极大降低了开发者的技术难度，提高了效率，保证了质量。小插一个无关设计的小观点，其实，国产替代也是个循序渐进的过程，世界还是挺大的，合作共赢、共同达成商业目标才是持久之路。ADI技术领先，保证供应，价格合理，是非常值得选择的。

这个是最后的电路设计图。

PCB电路设计图如下：

 

 

02

模拟设计

使用ADI的辅助工具进行AD8428 Instrumentation Amplifier模拟设计。

 

使用ADIsim软件

 

模拟设计软件先不说好用不好用，首先是非常好玩的。ADIsim是一个非常友好的模拟工具，易于使用，而且还是免费的。AD8428在做设计的时候还是一款新品，所以没有在这个设计库里，需要先下载SPICE文件然后倒入。SPICE文件是TXT格式的，可以直接自定义编辑功能和设置，当然，首先要真正了解并熟悉这款新品才行。
 

使用ADIsim的设计图，

进行功能模拟的结果。虽然基本功能有效，但是还不大理想，所以后来就弃坑了，因为有更好的替身。

 

LTspice

 

LTspice是Linear的头牌，中文是凌特，已经被ADI并购了，大家看到LT起头的ADI产品，实际上源自Linear，而LTspice就是对标ADIsim并超越ADIsim的顶流。深切怀疑，Linear被并购的原因就是因为胸怀利刃LTspice，而招致“失身之祸”。相比AD打头的产品，大家都知道LT打头的都主打一个性价比，其实也是很能打的，当初被并购也是花了大价钱的，应该更是两情相悦的结果。因为，这样对LTspice来说，ADI也是官方全系列支持的。当然，现在还是需要导入spice的。

 

原理图的设计

 

AD8428是根据ADI样片申请获得的，但是流程老复杂了，独苗一个，型号AD8428ARZ，这个东东是好东西，值得垂涎一下。

放大器下看看丝印。

因为全程有手册，提供了官方的设计参考图。这个原理图看似极简设计，其实各种共模和差模参数极其强悍，因为专门为这个出了包括《你好放大器》这样的神作，就不搞文字搬运了，这里省掉n千字。

转换成适合模拟运行的电路设计，这里需要增加互补的电压源作为输入信号，在LTspice中，这个参数可以完美修改，甚至可以编程成为特定波形，如方波，三角波，正弦波，你想你就可以拥有。

执行暂态模拟的结果如下，对应于一个1.8毫秒的脉冲，就这个样子。

这个原理图还可以导出BOM元件表，

这些元件的参数都可以任意调整和变化，反复多种测试，选择最合适的匹配参数。

其中电容器的变化和适配对性能的影响最大。其中影响最大的就是ESR，对于平波，滤波和去耦都有极大的好处。通常意义的电容等效电路如下：

对不同的输入频率，ESR和等效阻抗Z的频率相应如下，在特征频率下取得最优数值。

2.2.3 不断更换上面的电容值，

C5, C7 = 10uF

C2 ,C3 = 4.7uF ,

C1 = 4.7uF , 大约为C2和C3的10倍

C4,C6 =0.1uF MLCC，

稳态模拟结果如下。

对应于电容的参数都是可以随时调整的，如调整C5的ESR值，更换为最终选择电容的参数0.06欧。

其他模拟如暂态模拟，交流摇摆模拟等都可以一键完成,下面是一部分游戏过程的截图。

这个可比当年在面包板上插积木好玩多了，也可以重新理解当时老师讲的一些规律性的东西。唯一欠缺的就是实地炸电容，烧电阻的快乐烧烤场景。

 

 

03

打板和设计

这时候设计，用的是https://easyeda.com/ ，这个也最后易帜了，不过现在的国内的名字就是力创eda，海外版的还是没有变化。电路原理设计如下。

生产PCB。

偷懒的自动布线。

3D演示。

当然，这个是不可以的，还是要重新布局和选择BOM，选择合适的电容。

这才是最终版。

和最终的PCB。

输出BOM。

打印一下。

 

 

04

手搓PCB

这个PCB有些过于简单，就下单了手搓6件套，包括紫外光刻，这个手搓的光刻精度是毫米级的，做独立二极管戳戳有余，但是搞5G芯片，可能还是要一些时间沉淀吧。

最后继续降低，连光刻的不想用了，双面板纯手搓了，刻刀，油性笔，使用环保蚀刻剂硫氧化纳, Na2S2O8+Cu=Na2SO4+CuSO4。

真实手搓图，这个是把PCB设计打印在白纸上，然后刻刀刻线，然后用油性笔透描的，所以有焊盘和断线的地方，不过，没关系，有些手抖也没关系，连直尺都木有用，直接拿出小学的绘画压箱功底，背面全黑没有问题吧。

这边搞双色的。

溶解蚀刻剂，大概等10分钟吧。

看起来不太行。

那就继续，直到变成浅蓝色，到最后。

完工。

最后，除掉油性笔痕，通常用能脱油的洗洁精就可以。

当然，大力出奇迹，用砂纸也是可以的。

手工焊，难度基本为零，美观程度，也基本为零。

需要补充一下，经此一役，鉴于心理阴影面积过大，宁可付费打板也不再手搓了。

 

05

使用Arduino开发板读数

选用Arduino MKR 1000 读取ADC参数，因为AD8428已经放大到可以读取的精度了，所以其实是第二级放大器是由12位精度的ADC来实现的，这个是多数MCU可以轻松搞定的，最多可以读取4096的数据，进行0~3.3V的数据对应转换。

参考代码如下。

使用两个9V电池提供差分电压供电，这样输入端可以连接到心电贴片读数。

使用串口猎人115200-N-8-1.读取读数，改变采用周期，这里是选择了1kHz，这个数据可以导出为txt文件，进行更进一步处理。

 

 

06

AD8428的原理和配置

AD8428内部的逻辑图如下，可以有3种放大配置模式。

其中差模输入模式如下图，放大倍数计算公式如下，可以看出，更改CD 和CC的数据就可以自行选择放大倍数。

这个帖子主要是介绍了如何利用工具完成一款ADI放大器的设计到打板的过程。更多的技术细节和原理在ADI的各种开放资料都可以获得，相比这个芯片的高性能，手搓虽然可以完成任务，但效果其实还是没有完全发挥出来的。所以，后来也就不这么搞了，但是使用LTspice的过程却从此上了瘾，有原理图都想导入spice模拟一下。

 

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