深度了解仪表放大器之钻石图工具的核心技术

仪表放大器是适合压力或温度测量等各种应用的出色组件，它的主要作用包括信号放大和阻抗适配。在许多情况下，仪表放大器具有参考输入引脚。在参考引脚上增加电压会使输出信号升高同等电压。这样就能简单精确地将仪表放大器的输出调整到ADC所需的输入电平，从而可以使用ADC的完整输入范围，同时提高分辨率。在具有高共模信号的情况下，另一优势是极为出色的共模抑制比和高精度。

图1所示为典型3运算放大器设计中仪表放大器的内部原理图。AD8421具有通用特性，适合各种应用。

使用仪表放大器时应当意识到，最大输出电压取决于输入信号（共模或差分信号）、增益、电源电压以及可能来自内部结构的限制。在3运算放大器架构中，第一级放大器（反相和同相输入）以预设增益放大输入信号。第二级放大器起到的是减法器作用。输出信号由两个输入信号相减而构成。参考电压会加到生成组合输出的信号中。

生成这种内部模拟信号后，不同的因素现在可能导致内部饱和，并可能减少最大工作区域。

这些因素如下：

► 输入电压信号对于预设增益过高

► 参考电压对于生成的输出电压信号过高

► 电源电压过低

输出电压和仪表放大器工作区域取决于最大输入信号、增益、参考电压以及所选架构的限制，因此两者计算起来都有难度。如果把这些因素放在一张图中，可以得到一个菱形图，即所谓的钻石图。菱形图的空间表示可能的工作区域。计算起来并不简单，因为有多个输入和输出。

仪表放大器钻石图工具是一款由ADI公司开发的在线工具，可用于此类计算。该工具可自动为所需输出信号的参考电压、输入信号、电源电压和增益计算可能的配置。它通过图形显示特定输出信号可能的参数组合。

该工具包含所有ADI仪表放大器的规格，使用起来快捷方便。

图1.典型仪表放大器的内部架构

图2.仪表钻石图

图3.仪表放大器简化原理图

图4.建议使用的仪表放大器

图2至图4所示为该工具的图形用户界面及其钻石图、内部电路和建议使用的工具选项对应的窗口。

在第一个窗口（图2）中，您可以输入所需的全部参数，计算钻石图，并将其直观显示出来（可能的参数包括输入信号、增益、电源电压和参考电压）。对于输入信号，您可以选择共模信号或差分信号。此外，该工具还有助于确定所选放大器的局限性并区分输入-输出和内部限制。现在可以估算工作区域。一般来说，建议在运算时不要太接近钻石图极限。

仪表放大器钻石图工具的第二个窗口提供该放大器的内部视图，并显示详细的原理图（图3）。通过此视图可以看到技术细节和各自的内部电压。在需要检查设计中可能的错误时，这一点非常重要。另外还提供控制模式来评估所选参数并提供替代方案（图4）。

借助仪表放大器钻石图工具，ADI可以帮助您揭开钻石图的秘密。该工具提供简单的用户界面，24/7全天候在线可用，您可以随时选择和评估各种仪表放大器并设计更复杂的原理图。

以下是个小测验：

analog.com/designtools/en/diamond/

请为AD8422选用差分输入，图中显示增益为100，正电源电压为15 V，负电源电压为-15 V。参考电压为0。共模电压为8 V。VDIFF 范围为100 mV至148.5 mV。请假设我们使用全温度范围和10kΩ的负载。请使用钻石图工具和数据手册解释为什么此设置无效。

Christoph Kämmerer [[e-mail]]自2015年2月开始担任ADI公司现场应用工程师。他于2014年毕业于埃尔朗根-纽伦堡大学，获得物理学硕士学位。毕业之后，他曾在利默里克市ADI公司担任工艺开发实习生。2016年12月培训生项目结束后，Christoph正式成为ADI公司的现场应用工程师，专门针对新兴应用领域。