仪表放大器失调误差对高增益的影响——以AD8422BRZ为例

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仪表放大器失调误差对高增益的影响——以AD8422BRZ为例 [复制链接]

 

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。

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       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。 以下先简单过一下核心指标。

一、输入失调电压和输出失调电压

       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。

 

图一

      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。

       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。

 

图二

二、偏置电流和失调电流

       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)。

 

图二

       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1MΩ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–和IB+之差，即IOS = IB+ − IB–。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。

三、增益误差及增益电阻误差

       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。

       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。

 

图三

       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100Ω，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+(19.8KΩ/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。

四、失调误差计算

      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。

 

图四

       AD8422仪表放大器的部分参数如下图五所示。

 

图五

      因此反馈到输出端的失调误差为（典型值25℃条件下）

 

 

      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750Ω，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。

五、测试回顾与分析

       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。
 

 
                                                                                       图六
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AKA小趴菜

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

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

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

AKA小趴菜

 

AKA小趴菜

AKA小趴菜 发表于 2023-11-3 15:27  

就是我加了这100uV后 输入向上偏置了100uV 但输出没有变化

韩噗噗噗

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

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

AKA小趴菜

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

嗷嗷好的  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

韩噗噗噗

AKA小趴菜 发表于 2023-11-15 17:46 嗷嗷好的  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

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