神器!绝对的神器!
仪表放大器数据手册通常显示输出摆幅与输入共模电压的一个关系图(或几个变化形式),也被称为钻石图,这是一个所有外部和内部裕量限制综合图。若有足够的电路基本信息,钻石图还可以针对各种电源电压、增益和参考引脚电压条件进行调整。
我们都知道INA是放大微小的差分电压的,但是在设计上面却不是那么容易,细节那么多,经常结果不理想。
我们把输入信号可以归类成这几个
电压源可以看作这样
差分电压源看作这样
电流源是这样
在设计信号链之前,要尽可能的知道信号的更多信息。
OK,这个工具的作用就是在知道你信号输入的情况下帮助你选择运放,电源,以及REF。
直接拿一个默认的demo说:
这个信号是差分输入的,共模范围是-8~8,信号是100mV。
工作范围限制由输入信号和仪表放大器的增益计算得到。
按照共模电压(Vcm)与输出电压(Vout)两坐标轴绘制。两组坐标值可以绘制成范围(最小和最大值)或单个值。
先看图例
共模和输出围绕成了一个矩形
这个“有效”的工作区域在钻石图工具中为白色,而“无效”工作区域为灰色。
这个全白色里面就都正常了吗?不是!
在保证(电源电压、基准电压、增益、输入信号)都输入正确的情况下:
红色的区域里面才都是正确的工作范围,灰色区域就不对。
现在看一个角,-10,8
接下来我们让这个Vcm变小一些,-10V:
就不能用了
就在灰色区域了
接下来就是听劝,我直接加电压,但是注意是对称的加:
看图
正常了
这里展示了一种电压不对称的输入
当然了,瞎几把调整的话也会出现:
妈耶
这个是数据手册里面的,这个只能大致估计,因为在边缘的时候已经看不出来了。
我觉得最重要的事情是!!!
输入信号:
输入共模电压定义为两个输入电压的平均值:
VCM = (V IN V-IN) / 2
因此单端输入信号(一端输入电压固定,另一端变化)会随差分电压而改变共模电压。
单端输入信号,是变化的正输入(例如一个负引脚端接地热电偶),还是变化的负输入(例如检测较小电压轨上的高端电流)。
信号的改变在砖石图上面是看不出的:
单端
单端-
可以看到都会改变内部的节点电压
比如我的输入电压是在1~2V,差分0.1V
分别不同的接法在引脚上面的不同
也可以算差分
现在单电源大行其道,看个经典的AD620:
我们这里电源确定以后就要时刻关注Vcm
没反应是因为信号太小啦
1000倍才是10uV,看鸡毛哦
我们看1mV呢?0.5V的变化哦~
499,100倍,1V,应该也可以接受了
就这样了
那是不是可以通过更改Vcm来变呢?我试了一下,2.35到3这样是不会改变输出的,也就是Vcm其实会改变内部节点的。
但是最终还是要调节放大倍数:
可以看到是0.8V的变化
共模电压过大会导致输出直接为零呢?
仪表运放的输出电压主要会受到输入级运放饱和的限制。当输入共模电压过大时,信号在输入级就饱和了,相当于差分级的输入电压相同,因此仪表运放的总输出为零。
最后TI也有这样的工具,可以给大家留个作业自己搞搞!
我好弱,希望有一天可以手算这些值!
最后补充:
在大多数运放应用中,VIN 非常接近于VIN-,因为闭环负反馈会使一个输入端密切跟踪另一个输入端,使VIN 与VIN-之间的压差接近于零。
很多共模电路都是这种情况,包括电压跟随器,以及反相和非反相配置。这些情况下,通常会假设VIN =VIN-=VICM,因为这些电压几乎是相同的。
描述运放输入的另一个参数项是输入共模区间VICMR,或更准确地说,是输入共模电压区间。
这个参数在数据表中很常见,它是电路设计者最应关注的参数。VICMR定义了运放能正常工作的一个共模输入电压区间,并描述了输入电压与两个电压轨靠近的程度。
当运放超出VICMR时,器件就可能不能做正常的线性运行。因此,必须了解输入信号的整个范围区间,确保运放不超出VICMR。
如果在设计过程的晚期才发现运放无法满足VICMR要求,该怎么办?也许该器件的其它参数非常适合于你的应用,难以改换器件。这时可能要考虑下列一个或多个选项。
首先,如果输入波幅过大,则要用一个电阻分压器,将信号保持在正确的VICMR区间内。
其次,如果输入信号的偏移有问题,则尝试使用一个输入偏置或直流偏移电路,使输入信号置于运放VICMR区间规格内。
第三,可以尝试换用一种能满足所有其它要求的轨至轨输入运放。
耶耶耶,小鸡崽
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