eew_QXujBk 发表于 2023-10-25 13:34

仪表放大器失调误差对高增益的影响——以AD8422BRZ为例

本帖最后由 韩噗噗噗 于 2023-10-25 13:34 编辑

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<p>前言:本帖为笔者第一次发帖,近期工作刚好有这方面的体会,作了总结,内容不一定都是对的,欢迎大家一起讨论和指导。在项目中是用AD8422作为惠斯登电桥的一个高增益放大的应用,AD8422是一款高精度、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器,具有业界最佳的每单位微安性能。该器件以超低失真性能处理信号,在整个输出范围内负载不影响性能。它是业界标准AD620发展到第三代的产品,采用最新的工艺和设计技术,比历代产品具有更高的动态范围和更低的误差,同时功耗不足三分之一。可见该器件确实是很优秀的一个仪表放大器。</p>

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<p>&nbsp; &nbsp;&nbsp; &nbsp; 仪表放大器不是普通的运算放大器,尽管仪表放大器是由运算放大器构成,但在参数上还是有差异,因此需要提一下。本次主要讨论仪表放大器的失调误差带来的放大倍数的差异,仪表放大器的失调误差主要由3个因素组成,输入失调误差、输出失调误差以及输入偏置电流。另外,共模抑制比、电源抑制比和ADC本身测量误差不在讨论范围。&nbsp;以下先简单过一下核心指标。</p>

<p><b>一、输入失调电压和输出失调电压</b></p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;理想状态下,如果运算放大器的两个输入端电压完全相同,输出应为0V。实际上,还必须在输入端施加小差分电压,强制输出达到0。该电压称为输入失调电压VOS。输入失调电压可以看成是电压源VOS,与运算放大器的反相输入端串联,如图1所示。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p style="text-align: center;">图一</p>

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<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; 输入失调电压是运算放大器的重要品质因素,在高增益的条件下,输入失调电压显得格外重要,因为失调中的输入失调组分与增益直接成比例,即当G=1000时,输出端测得的输入失调比G=1时大1000倍。</p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;除了输入失调电压,输出失调电压是仪表放大器特有的一个参数,对于普通的单个的运算放大器,输入失调电压调节好之后可另运放输出零,但对于内部结构比较复杂且由多运放组成的仪表放大器来说,输出端仍有一个失调电压。该输出失调电压独立于输入失调电压,在低增益情况下,输出失调电压占据主导地位,在高增益下,输入失调电压较为显著。输出失调电压漂移通常在G=1时测得(此时,输入效应并不显著),输入失调电压漂移则是在高增益下测得的漂移规格(此时,输出失调效应可忽略不计)。以下是该仪表放大器输入失调电压和输出失调电压的一些参数。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p style="text-align: center;">图二</p>

<p><b>二、偏置电流和失调电流</b></p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;理想情况下,并无电流进入运算放大器的输入端。而实际操作中,始终存在两个输入偏置电流,这是由运算放大器的特性导致的,仪表放大器也不例外。即IB+和IB-(详见图二)。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p style="text-align: center;">图二</p>

<p align="left">&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;偏置电流是个问题,因为当其流过外部阻抗时会产生电压,进而导致系统误差增加。以1M&Omega;源阻抗驱动同相单位增益缓冲器为例,如果IB为10nA,则 会额外引入10mV的误差。这种误差度在任何系统中都不容忽略。输入失调电流IOS是IB&ndash;和IB+之差,即IOS = IB+ &minus; IB&ndash;。需注意,两个偏置电流首先必须基本上具有相当良好的匹配性,IOS才有意义。</p>

<p><b>三、增益误差及增益电阻误差</b></p>

<p align="left">&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;仪表放大器的增益通常通过单个电阻进行设置。如果电阻位于仪表放大器外部,则其值要么根据公式计算,要么从数据手册中的表格中选择,具体取决于所需的增益。</p>

<p align="left">&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;仪表放大器AD8422BRZ拥有业内顶尖的参数,增益误差在G=1000时仅有0.04%的误差,即增益199时,误差范围为198.9204至199.0796,增益非线性及增益温漂参数也很优秀,如图三所示。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p align="center">图三</p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;以上计算未考虑增益电阻,常见的电阻值误差有5%、1%、0.5%、0.1%、0.05%及0.01%,综合考虑了成本及实际应用,本项目选取了100&Omega;,0.1%,0603规格的贴片电阻。把电阻误差考虑进去,再根据AD8422BRZ的增益G=1+(19.8K&Omega;/RG)可得增益G的范围约为198.8到199.2。综合上增益误差,G的范围为198.72到199.28之间。即两者叠加,最大0.14%的误增益差,在项目中的影响基本可忽略。</p>

<p><b>四、失调误差计算</b></p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; 正如开头所说,仪表放大器的失调误差主要由3个因素组成,输入失调误差、输出失调误差以及输入偏置电流,因此仪表放大器的总失调误差模型如图四所示。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p align="center">图四</p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;AD8422仪表放大器的部分参数如下图五所示。</p>

<p style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p style="text-align: center;">图五</p>

<p align="left">&nbsp; &nbsp; &nbsp; 因此反馈到输出端的失调误差为(典型值25℃条件下)</p>

<p align="left" style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p align="left" style="text-align: center;"> &nbsp;</p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; 需要说明的是,在本人实际案例中,仪表运放前面接的是电桥,下桥臂刚还是750&Omega;,因此取750。理论计算可得仅失调误差就有最大约5mV的误差,本项目的电桥输入原始信号约-5到10mV,以1mV原始信号为例 ,叠加5mV的误差后致使放大倍数变成194倍到204倍。</p>

<p><b>五、测试回顾与分析</b></p>

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;实际测试了有六十多块板,计算出来的放大倍数在192.4到206.9之间。超了上述失调误差的范围,可见除了影响因素最大的失调误差,还有其他影响因素也叠加上去了,如上述增益误差及增益电阻误差,ADC采集误差及温度影响等。<br />
&nbsp; &nbsp;<br />
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;图六<br />
&nbsp;</p>

<p style="text-align: center;">&nbsp;</p>

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<p>&nbsp;</p>

AKA小趴菜 发表于 2023-11-2 21:35

求解答 我用LTspice 仿真AD8422 为什么在负输入端加了失调电压 输出结果还是不变啊

韩噗噗噗 发表于 2023-11-3 13:25

AKA小趴菜 发表于 2023-11-2 21:35
求解答 我用LTspice 仿真AD8422 为什么在负输入端加了失调电压 输出结果还是不变啊

<p>可以贴上电路图,你是只在负输入端加吗?仪表放大器是放大正负之间的差分电压</p>

AKA小趴菜 发表于 2023-11-3 15:27

<div style="text-align: center;"></div>

<p>&nbsp;</p>

AKA小趴菜 发表于 2023-11-3 15:33

<div class='shownolgin' data-isdigest='no'>AKA小趴菜 发表于 2023-11-3 15:27
&nbsp;

<p>就是我加了这100uV后 输入向上偏置了100uV 但输出没有变化</p>
</div><script>showreplylogin();</script><script type="text/javascript">(function(d,c){var a=d.createElement("script"),m=d.getElementsByTagName("script"),eewurl="//counter.eeworld.com.cn/pv/count/";a.src=eewurl+c;m.parentNode.insertBefore(a,m)})(document,523)</script>

韩噗噗噗 发表于 2023-11-9 09:14

<div class='shownolgin' data-isdigest='no'>AKA小趴菜 发表于 2023-11-3 15:33
就是我加了这100uV后 输入向上偏置了100uV 但输出没有变化

<p>你画法不对,这100u不止是加在反向输入端,正向输入端同样也有,差分后那就没有了</p>
</div><script>showreplylogin();</script>

AKA小趴菜 发表于 2023-11-15 17:46

<div class='shownolgin' data-isdigest='no'>韩噗噗噗 发表于 2023-11-9 09:14
你画法不对,这100u不止是加在反向输入端,正向输入端同样也有,差分后那就没有了

<p>嗷嗷好的&nbsp; 我想问一下如何去除这个失调电压啊 只能加电压源吗 实际应用没法加啊</p>
</div><script>showreplylogin();</script>

韩噗噗噗 发表于 2023-11-21 10:15

<div class='shownolgin' data-isdigest='no'>AKA小趴菜 发表于 2023-11-15 17:46
嗷嗷好的&nbsp; 我想问一下如何去除这个失调电压啊 只能加电压源吗 实际应用没法加啊

<p>可以看下我的图一,是怎么加的失调电压,想要消除也是要这么做,一样的</p>
</div><script>showreplylogin();</script>
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