电子工程师设计秘籍：AD594/AD595单芯片热电偶放大器解析

在电子工程师的日常设计工作中，精确测量温度是一项常见且关键的任务。热电偶作为一种广泛应用的温度传感器，以其经济、耐用和响应快速等优点，成为众多温度测量场景的首选。而AD594/AD595单芯片热电偶放大器，更是为热电偶的信号处理提供了强大而便捷的解决方案。

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一、AD594/AD595的产品特性

1. 预校准与兼容性

AD594针对J型（铁 - 康铜）热电偶进行预校准，AD595则针对K型（铬铝合金）热电偶预校准。同时，它们也能与T型热电偶配合使用，大大拓展了其应用范围。

2. 低阻抗电压输出

具备10 mV/°C的低阻抗电压输出，能够直接输出与温度成比例的电压信号，方便后续电路处理。

3. 内置冷端补偿

内置冰点补偿功能，有效解决了热电偶冷端温度变化对测量结果的影响，提高了测量的准确性。

4. 宽电源范围与低功耗

电源范围为 +5 V至15 V，适应多种电源环境。典型功耗小于1 mW，在低功耗应用场景中表现出色。

5. 热电偶故障报警

设有热电偶故障报警功能，当热电偶线路出现开路等故障时，能够及时发出警报，保障系统的可靠性。

6. 高精度校准

通过激光晶圆微调，校准精度可达1°C，确保了测量的高精度。

7. 多种工作模式

支持设定点模式操作和独立的摄氏温度计操作，满足不同的应用需求。

8. 高阻抗差分输入

高阻抗差分输入能够有效抑制热电偶线路上的共模噪声电压，提高信号质量。

9. 多种封装形式

提供侧焊双列直插封装（DIP）和低成本陶瓷双列直插封装（Cerdip），方便不同的电路板布局和安装需求。

二、产品详细描述

AD594/AD595是一款集成在单芯片上的完整仪表放大器和热电偶冷端补偿器。它将冰点参考与预校准放大器相结合，能够直接从热电偶信号产生高电平（10 mV/°C）输出。通过引脚连接选项，它既可以作为线性放大器 - 补偿器使用，也可以作为开关输出设定点控制器，支持固定或远程设定点控制。此外，它还能直接放大补偿电压，将其转换为具有低阻抗电压输出的独立摄氏温度传感器。

该芯片还包含热电偶故障报警功能，当热电偶线路出现开路时，报警输出具有灵活的格式，包括TTL驱动能力。它可以由单端电源（包括 +5 V）供电，通过增加负电源，还能测量低于0°C的温度。为了减少自热效应，空载的AD594/AD595通常以160 µA的总电源电流运行，同时还能够向负载提供超过 ±5 mA的电流。

AD594通过激光晶圆微调预校准，以匹配J型热电偶的特性；AD595则针对K型输入进行激光微调。温度传感器电压和增益控制电阻可从封装引脚获取，通过添加两到三个电阻，可对电路进行重新校准，以适应不同类型的热电偶。此外，这些引脚还允许对热电偶和温度计应用进行更精确的校准。

AD594/AD595有两种性能等级，C版本和A版本的校准精度分别为 ±1°C和 ±3°C。它们的设计工作温度范围为0°C至 +50°C，提供14引脚、密封、侧焊陶瓷双列直插封装以及低成本陶瓷双列直插封装。

三、技术规格

1. 绝对最大额定值

包括电源电压范围、共模输入电压、差分输入电压、报警电压等参数，确保芯片在安全的电压范围内工作。

2. 温度测量

在0°C至 +50°C的指定温度范围内，校准误差、稳定性与温度的关系、增益误差、标称传递函数等参数都有明确规定，保证了温度测量的准确性和稳定性。

3. 放大器特性

如闭环增益、输入失调电压、输入偏置电流、差分输入范围、共模范围、共模灵敏度、电源灵敏度、输出电压范围、可用输出电流、3 dB带宽等，这些参数决定了放大器的性能和适用范围。

4. 报警特性

包括VCE(SAT)、泄漏电流、工作电压、短路电流等，确保报警功能的可靠性。

5. 电源要求

规定了指定性能下的电源电压和工作电源电压范围，以及静态电流等参数，方便工程师进行电源设计。

四、输出电压解读

为了实现10 mV/°C的温度比例输出，并在电路的额定工作范围内准确补偿参考结，AD594/AD595在25°C时进行增益微调，以匹配J型和K型热电偶的传递特性。由于热电偶输出电压与温度呈非线性关系，而AD594/AD595对补偿信号进行线性放大，因此需要使用特定的传递函数来确定实际输出电压。

文中还给出了理想的AD594/AD595输出电压与摄氏温度的关系表，方便工程师进行参考。需要注意的是，由于ANSI型J和DIN FE - CUNI热电偶的合金成分略有差异，该表不适用于欧洲标准热电偶，应使用前面给出的传递函数和DIN热电偶表。

五、电源连接方式

1. 单电源连接

使用单个 +5 V电源，按照图1所示的互连方式，可直接从J型（AD594）或K型（AD595）热电偶获得0°C至 +300°C的测量输出。任何 +5 V至 +30 V的电源电压都可使用，较低的电源电平可将自热误差降至最低。在单电源配置中，+5 V电源连接到引脚11，V - 连接在引脚7与引脚4的电源和信号公共端相连。热电偶线输入直接从测量点或通过类似热电偶线类型的中间连接连接到引脚1和14。当不使用引脚13的报警输出时，应将其连接到公共端或 - V。预校准的反馈网络在引脚8连接到引脚9的输出，以提供10 mV/°C的标称温度传递特性。

2. 双电源连接

使用更宽范围的双电源（如图2所示），AD594/AD595可与测量负温度和扩展正温度的热电偶接口。负电源可使输出指示负温度，并驱动接地负载或返回正电压的负载。将正电源从5 V增加到15 V，可将输出电压范围扩展到远超过J型热电偶（AD594）推荐的750°C温度限制和K型热电偶（AD595）的1250°C温度限制。热电偶输入上的共模电压必须保持在AD594/AD595的共模范围内，并为偏置电流提供返回路径。如果热电偶未远程接地，建议采用图1和图2中的虚线连接，可能需要在该连接中添加一个电阻，以确保热电偶回路中感应的共模电压不会转换为正常模式。

六、热电偶连接

热电偶线的等温终端连接形成有效的参考结，该结必须与AD594/AD595保持相同的温度，以确保内部冷端补偿有效。图3所示的印刷电路板连接布局提供了一种实现热平衡的方法，AD594/AD595封装温度和电路板通过引脚1和14下方的铜印刷电路板轨道进行热接触。参考结由铜 - 康铜（或铜 - 铝镁合金）连接和铜 - 铁（或铜 - 铬合金）连接组成，两者与AD594/AD595温度相同。该印刷电路板布局还提供了放置可选报警负载电阻、重新校准电阻和补偿电容以限制带宽的位置。为确保牢固连接，在焊接前应清洁热电偶线以去除氧化层，使用非腐蚀性松香助焊剂与铁、康铜、铬合金和铝镁合金以及特定的焊料（如95%锡 - 5%锑、95%锡 - 5%银或90%锡 - 10%铅）配合使用。

七、功能描述

1. 放大器工作原理

AD594的工作方式类似于两个差分放大器，其输出相加后用于控制一个高增益放大器。在正常操作中，主放大器输出（引脚9）连接到反馈网络（引脚8）。施加到浮动输入级（引脚1和14）的热电偶信号先由差分放大器的增益G放大，然后在主放大器中进一步由增益A放大。主放大器的输出以反相连接反馈到第二个差分级，反馈信号由该级放大，并通过求和电路应用到主放大器输入。由于反相作用，放大器使反馈驱动以将差值信号减小到较小值。两个差分放大器匹配且具有相同的增益G，因此当差值信号减小到零时，应用到右侧差分放大器的反馈信号将精确匹配热电偶输入信号。反馈网络经过微调，使得引脚8和9的输出有效增益产生10 mV/°C的热电偶激励电压。

2. 冷端补偿

除了反馈信号外，冷端补偿电压应用到右侧差分放大器。补偿是与AD594/AD595的摄氏温度成比例的差分电压，该信号干扰差分输入，使放大器输出必须调整以恢复输入等于施加的热电偶电压。补偿通过增益缩放电阻应用，使其对主输出的影响也为10 mV/°C。因此，补偿电压将与0°C和AD594/AD595温度之间的差值直接成比例的信号添加到热电偶电压的影响中。如果热电偶参考结保持在AD594/AD595温度，AD594/AD595的输出将对应于从参考冰浴的热电偶信号放大获得的读数。

3. 输入开路检测

AD594/AD595还包括一个输入开路检测器，用于切换报警晶体管。该晶体管实际上是一个电流限制输出缓冲器，但可在一定限制内用作开关晶体管，用于外部报警的上拉或下拉操作。

4. 冰点补偿网络

冰点补偿网络具有正温度系数和负温度系数的可用电压，这些电压可与外部电阻一起使用，以修改冰点补偿并重新校准AD594/AD595。

5. 反馈电阻

反馈电阻单独引出引脚，其值可通过串联电阻进行填充，或用引脚5和9之间的外部电阻替换。反馈电阻的外部可用性允许调整增益，还允许AD594/AD595在设定点操作的开关模式下工作。

八、重新校准原则与限制

1. 冰点补偿调整

AD594/AD595的冰点补偿网络产生一个差分信号，该信号在0°C时为零，并对应于芯片温度下参考冰浴的热电偶输出。电路的正温度系数输出与开尔文温度成比例，并在 +T处显示为电压。可以通过从 +T到COM连接电阻来减小该信号，或通过从 +T到 +C处较大的正温度系数电压连接上拉电阻来增加该信号。注意，对 +T的调整应通过测量跟踪它的 - T处的电压来进行。为避免使反馈放大器不稳定，测量仪器应通过与连接到 - T的引线串联的几千欧姆电阻进行隔离。

2. 零点调整

改变补偿方案差分输出的正温度系数部分会使零点偏离0°C。可以通过调整流入反馈放大器负输入（ - T引脚）的电流来恢复零点。可以使用 - C和 - T之间的电阻来产生流入该端子的电流，以平衡 +T的增加，或使用 - T到COM的电阻来抵消 +T的减小。

3. 增益调整

如果为适应不同类型的热电偶而对补偿进行大幅调整，其对最终输出电压的影响将成比例增加或减小。为将标称输出恢复到10 mV/°C，可调整增益以匹配新的补偿和热电偶输入特性。当减小补偿时， - T和COM之间的电阻会自动将增益增加到正确值的0.5%以内。如果需要更小的增益，可以将标称47 kΩ的内部反馈电阻与外部电阻并联或替换。

4. 校准注意事项

精细校准调整需要对单个设备进行温度响应测量，以确保准确性。对于其他热电偶类型的重大重新配置，只要在固定温度下使用工厂校准作为参考进行操作，就可以在不严重影响初始校准精度的情况下实现。需要注意的是，中间重新校准条件可能需要使用负电源。

九、E型热电偶重新校准示例

AD594和AD595都可以配置为处理E型（铬 - 康铜）热电偶的输出。由于E型热电偶的温度特性与J型更接近，因此AD594更适合重新校准。在保持设备温度恒定的情况下，按照以下步骤进行重新校准：

1. 测量设备温度

将两个输入连接到公共端（或选定的共模电位），并将FB连接到VO，此时AD594处于独立摄氏温度计模式。假设环境温度为24°C，初始输出VO为240 mV，检查VO处的输出以验证其是否对应于设备温度。

2. 调整补偿

使用高阻抗数字电压表测量引脚5处的 - T电压，在24°C时， - T电压约为8.3 mV。为将AD594的补偿调整为E型热电偶，应在 +T和 +C（引脚2和3）之间连接一个电阻R1，以将 - T处的电压提高到热电偶灵敏度的比例。将J型设备转换为E型特性的比例为： [r(AD594) = (60.9 mu V/°C) / (51.7 mu V/°C) = 1.18] 将初始测量的 - T电压乘以r，并通过实验确定将 - T提高到该水平所需的R1值。在本例中，新的 - T电压应为约9.8 mV，电阻值约为1.8 kΩ。

3. 调整零点

将原始输出电压VO乘以r，并通过在 - C和 - T（引脚5和6）之间实验添加电阻R2来调整测量的输出电压到该值。在这种情况下，目标输出值应为约283 mV，R2的电阻值约为240 kΩ。

4. 重新校准增益

在FB和 - T（引脚8和5）之间添加第三个电阻R3，使VO恢复到初始的240 mV读数。R3的电阻值约为280 kΩ。

对于AD595进行类似的重新校准程序时，R1、R2、R3和r的值分别约为650 Ω、84 kΩ、93 kΩ和1.51。使用AD595处理E型输入时，功耗将增加约50%。在整个重新校准过程中，保持AD594/AD595温度稳定至关重要，因为它用作温度参考。与手指或非环境温度的工具接触会迅速产生误差，还必须防止照明变化或烙铁靠近产生的辐射热。

十、使用T型热电偶

由于K型和T型热电偶在0°C至 +50°C范围内的热电动势相似，AD595可以直接用于这两种类型的输入。在该环境温度范围内，使用T型输入时，AD595的输出校准误差不超过0.2°C。误差是由于冰点补偿器在25°C时针对K型特性进行了微调。要计算T型热电偶在推荐的 - 200°C至 +350°C范围内的AD595输出值，只需使用参考0°C的ANSI热电偶电压和第2页给出的AD595输出方程。由于T型热电偶存在较大的非线性，输出将与标称的10 mV/°C有较大偏差，但在额定的0°C至 +50°C环境温度范围内，冷端补偿将保持准确。

十一、温度稳定性

每个AD594/AD595在测量热电偶为0°C时进行温度误差测试。冷端补偿误差、放大器失调漂移和增益误差的综合影响决定了AD594/AD595输出在额定环境温度范围内的稳定性。图8显示了AD594/AD595的漂移误差包络，其斜率单位为°C/°C。

十二、热环境影响

AD594/AD595固有的低功耗和封装的低热阻使自热误差几乎可以忽略不计。例如，在静止空气中，芯片到环境的热阻约为80°C/瓦（对于D封装）。在标称功耗为800 µW时，自由空气中的自热小于0.065°C。浸没在氟碳液体（未搅拌）中时，热阻约为40°C/瓦，自热误差约为0.032°C。

十三、设定点控制器

AD594/AD595可以很容易地连接为设定点控制器（如图9所示）。热电偶用于感测未知温度，并向AD594/AD595的输入提供热电动势。信号经过冷端补偿，放大到10 mV/°C，并与用户施加到引脚8反馈的外部设定点电压进行比较。表I列出了设定点电压与温度的对应关系，考虑了测量热电偶的非线性。如果设定点温度范围在AD594/AD595的工作范围（ - 55°C至 +125°C）内，可以通过将输入短路并利用10 mV/°C的标称校准，将芯片用作电路的传感器。这是图13所示的摄氏温度计配置。

在操作中，如果设定点电压高于对应于测量温度的电压，输出将摆动到接近零伏；反之，当温度高于设定点电压时，输出将切换到约4