AD8555型數(shù)字可編程放大器的原理及應(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(guò)外接電容器，可以方便地實(shí)現(xiàn)低通濾波功能;輸入和輸出范圍很寬，能驅(qū)動(dòng)低電壓ADC。另外，AD8555還具有開(kāi)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(jì)人員在對(duì)放大器進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化時(shí)帶來(lái)極大方便，可廣泛應(yīng)用于測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的前向通道，對(duì)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(cè)等傳感器信號(hào)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?cái)?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(jí)，A3，R4，R5，R6，R7,P3及P4構(gòu)成減法器，作為放大器的第二級(jí)，A1、A2及A3均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jí)增益的數(shù)字可控電位器,二級(jí)放大器的增益溫度系數(shù)均低于2x10-4ppm/℃,通過(guò)編程能對(duì)放大器增益進(jìn)行70～l 280的大范圍調(diào)整，可以完全通過(guò)在路調(diào)整實(shí)現(xiàn)。電阻器RF通過(guò)一只外接在FILT/DIGOUT和VDD或VSS間的電容器實(shí)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(duì)A4輸出的正向擺幅進(jìn)行限定,設(shè)定方法是通過(guò)外部參考電壓，AD8555允許驅(qū)動(dòng)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(guò)重，2個(gè)差分輸入端子(VPOS和VNEG)具有高輸入阻抗和低偏置電流。自動(dòng)調(diào)零電路通過(guò)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(guò)它對(duì)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(jí)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(zhuān)利多晶硅熔絲技術(shù)固定放大器的增益設(shè)置，實(shí)現(xiàn)增益永久設(shè)定。第一級(jí)增益調(diào)整通過(guò)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(jí)增益調(diào)整通過(guò)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(shí)在路設(shè)置和反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)整值。第一級(jí)增益與編碼值的關(guān)系見(jiàn)公式(1);第二級(jí)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(hào)的失調(diào)誤差和給輸出信號(hào)增加1個(gè)固定偏置電壓。當(dāng)偏離其預(yù)定作用時(shí)，這種單調(diào)DAC產(chǎn)生輸出電壓，擺動(dòng)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(zhǎng)是VDD和VSS之差的O.39%，像增益一樣，輸出失調(diào)電壓可暫時(shí)設(shè)置、評(píng)估和反復(fù)調(diào)節(jié)，然后通過(guò)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(duì)于差分輸入的默認(rèn)內(nèi)部初始增益，大小為70。當(dāng)2個(gè)輸入都接地時(shí)，因第一項(xiàng)接近0 V或最大10 mV(由于輸入放大器誤差)，這時(shí)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(guò)每一模擬輸入端的上拉電流源實(shí)現(xiàn)電路故障檢測(cè)，可防止開(kāi)路、短路和輸入懸空，當(dāng)發(fā)生其中的任何一種情況時(shí)，都會(huì)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(guò)VCLAMP端進(jìn)行檢測(cè)。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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖3所示為AD8555在傳感器測(cè)量前向通道中的配置。在測(cè)量系統(tǒng)前端，由于傳感器性能上的差異，往往無(wú)法滿(mǎn)足具備同等精度的要求，一種使各路傳感器信號(hào)滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換要求并達(dá)到一致的通常方法是：通過(guò)電位器對(duì)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(lái)，這種方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，非常麻煩。使用AD8555后，電路設(shè)計(jì)和調(diào)整大大簡(jiǎn)化。因?yàn)樗脑鲆嬖O(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(shí)現(xiàn)，且可完全在路進(jìn)行。加之AD8555不僅能夠用來(lái)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(cè)試帶來(lái)極大的方便。另外，AD8555對(duì)電容性負(fù)載具有很大驅(qū)動(dòng)能力，可以靈活地靠近傳感器放置，也可遠(yuǎn)離信號(hào)調(diào)理電路。

　　對(duì)AD8555進(jìn)行編程時(shí)需要注意幾個(gè)問(wèn)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(xiě)0.脈寬tw1大于等于50μs以上的正脈沖向移位寄存器寫(xiě)l，編程數(shù)據(jù)脈沖之間的時(shí)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(xiě)入010011的時(shí)序。單電源工作時(shí)，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(xiě)入，分為6場(chǎng)，串行字格式見(jiàn)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(duì)一、二級(jí)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(duì)各二級(jí)增益和輸出失調(diào)控制代碼進(jìn)行永久性寫(xiě)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(duì)編程代碼進(jìn)行校驗(yàn);

　　測(cè)量增益和輸出失調(diào)，進(jìn)行功能驗(yàn)證。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　AD8555是具有可設(shè)置增益、輸出失調(diào)、故障檢測(cè)、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(jiǎn)化多點(diǎn)、多參量檢測(cè)系統(tǒng)的前向通道設(shè)計(jì)與調(diào)整，提供完整的從傳感器到ADC的信號(hào)調(diào)理路徑。