設計說明

該指導手冊的目的是演示使用差分放大器或儀表放大器將具有高共模電壓 (Vcm) 的信號轉(zhuǎn)換為 ADS86XX 系列可以接受的電平的優(yōu)點和缺點。ADS86XX 系列無法支持高 Vcm，因此使用差分或儀表放大器驅(qū)動 ADC 可解決該問題。INA828 器件是一款儀表放大器，具有極高的輸入阻抗 (100GΩ)、出色的直流精度和低噪聲。INA828 可以接受其電源電壓范圍 (±15V) 內(nèi)的共模信號。INA149 器件是單位增益差分放大器，具有高達 ±275V 的高輸入共模電壓范圍，但輸入阻抗低于 INA828 器件（差分 = 800kΩ，共模 = 200kΩ）。ADS86XX 系列 ADC 具有集成式模擬前端 (AFE) 和多路復用器，使其成為 PLC（模擬輸入模塊）、保護繼電器、電網(wǎng)自動化和其他各種工業(yè)應用的理想候選。

設計說明

1. 由于集成式模擬前端和多路復用器，因此選擇了 ADS86XX 系列 HV SAR ADC。由于具有集成式 AFE，因此無需使用額外的組件即可驅(qū)動 ADC。
2. 選擇了 INA149 器件來提供極高的共模電壓 (Vcm = ±275V)。
3. 將 INA828 器件與 INA149 進行比較，可看出 INA828 器件具有高輸入阻抗 (100GΩ)，INA149 器件具有較低的輸入阻抗（差分 = 800kΩ，共模 = 200kΩ）。此外，INA149 器件具有非常寬的共模范圍 (Vcm = ±275V)，但 INA828 共模范圍僅限于電源電壓范圍（例如 ±15V）。如果需要高輸入阻抗，則可以使用 INA828 器件，但注意不要超出共模范圍。請注意，當傳感器輸出阻抗較高時，高輸入阻抗很重要，因為這會產(chǎn)生分壓器效應并引入誤差。
4. 在該示例中，輸入信號是 ±10.24V。因此，無需使用電阻器 Rg 即可設置 INA828 器件的增益 = 1。如果輸入信號較小，請使用適當?shù)碾娮杵髦低ㄟ^基準引腳上的適當基準電壓設置增益，以實現(xiàn)與 ADC 的輸入范圍相匹配的輸入擺幅。
5. 使用儀表放大器的共模輸入范圍計算器軟件工具檢查儀表放大器的共模范圍。
6. 如果需要增益，則為增益設置電阻器 (Rg) 使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜電阻器或更佳的電阻器，以實現(xiàn)理想增益精度和低增益漂移。

元件選型

1. ADS86XX 可以接受 ±10.24V 的單端輸入信號。在該示例中，輸入信號為 ±10.24V，因此 INA828 器件無需外部增益設置電阻器。INA149 器件是單位增益差分放大器，因此無需額外的元件。
2. INA828 基準電壓輸入用于更改輸入，以匹配 ADC 的輸入范圍。在該示例中，ADC 輸入范圍是對稱的，因此基準引腳接地。
3. 使用儀表放大器的共模輸入范圍計算器確定 INA828 器件是超出共模范圍。在該示例中，INA828 器件顯示您可以通過 ±15V 電源在增益 = 1 且 Vref = 0V 的情況下實現(xiàn) 8.38V 的最大 VCM。
   

直流傳輸特性

下圖展示了 INA149 器件的線性輸出響應。ADC 的輸入范圍是 ±10.24V，因此放大器的線性度遠遠超出 ADC 所需的范圍。請參閱使用儀表放大器時確定 SAR ADC 的線性范圍，了解有關該主題的詳細理論。

交流傳輸特性

當增益 = 1V/V（或 0dB）時，INA149 器件的仿真帶寬是 505kHz。當增益為 0dB 時，INA828 器件的仿真帶寬是 1.78MHz。這兩個仿真帶寬都非常符合各自的數(shù)據(jù)表。請觀看放大器帶寬視頻系列，了解有關該主題的更多詳細信息。

瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定仿真

使用 ±10.24V 差分輸入和 275V 共模電壓對 INA149 器件進行了仿真。以下 TINA 仿真顯示了 INA149 器件的差分輸入和單端輸出。該器件沒有 200V 共模電壓問題。

使用 ±10.24V 差分輸入和 7.75V 共模電壓對 INA828 器件進行了仿真。以下 TINA 仿真顯示了 INA828 器件的差分輸入和單端輸出。

噪聲仿真

該部分提供了 INA149 和 INA828 器件的簡化噪聲計算。仿真結(jié)果與計算結(jié)果非常接近。有關放大器噪聲計算的詳細理論，請參閱運算放大器：噪聲 4；有關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換噪聲，請參閱計算 ADC 系統(tǒng)的總噪聲。

ADS8688 器件具有內(nèi)部二階 15kHz LPF。該濾波器可顯著降低儀表放大器產(chǎn)生的噪聲。

設計中采用的器件

主要文件鏈接

德州儀器 (TI)，SBAC224 源文件，軟件支持