钻石图

问题:

我的信号在仪表放大器的额定输入电压范围内,但输出似乎饱和。这是怎么回事?

RAQ:  Issue 107

答案:

2013年2月18号,一架飞机计划从布鲁塞尔飞往苏黎世,在装载货物期间发生了一起惊天钻石大劫案,劫匪成功掠走价值约3.5亿美元的钻石,整个过程仅持续5分钟左右,被称为"史上最大钻石抢劫案之一"。 劫匪们乔装成警察(连臂章都跟真的一样),谋划周密,行动迅速且无比精确,情节恍如现实版的好莱坞电影。 机上的乘客们毫不知情,直到被要求走下飞机才知道有事情发生。 随后为了将劫匪缉拿归案,展开了一场国际大追捕。

从事电子设计工作的人需要关注不同的钻石图。 使用仪表放大器时,设计师常常观察到一些奇怪的现象。 有时候可以将问题准确地解释为"输出饱和",但另一些时候,问题描述可能不那么容易明白: "增益误差非常大"或"放大器线性度误差很大",甚至是"它不能正常工作"。 我们没有解决客户问题的流程图,但如果有的话,在"确保器件上电"之后必然是"检查钻石图"。

本文所说的钻石图常常是在数据手册中提供,显示仪表放大器的输入共模电压与输出电压范围的关系。 如果工作条件在轮廓以内,器件应能正常工作,否则,输出将因为内部节点饱和而无效。

对于不熟悉仪表放大器的读者,这些线性器件放大的是其输入端之间的电压差,与输入电压相对于电源电压的大小无关。 输入共模电压(两个输入电压的平均值)会被放大器抑制。

不用说,操作会被限制在一定的电压范围内,多数人会认为该范围小于电源电压,因此这一般不是问题。 然而,共模电压进入电路之后,不会轻易消失, 而是要在内部将其从目标信号中减除。 这意味着,放大的信号和共模电压必须在电压轨范围内。 轮廓有特定形状,可以是八边形、六边形或平行四边形;减除共模电压的机制取决于具体电路拓扑结构。 钻石图可能有点用词不当,但指定输入电压、所需输出摆幅、基准电压和电源轨之后,这种轮廓图可为电路设计师提供关于适当工作范围的有用信息。

AD8226、AD8227、AD8420和AD8422等现代仪表放大器致力于将钻石图扩展到尽可能大。处理低电源电压和单电源应用时,这个问题变得更困难,因为钻石图变得更小,工作范围变得更为受限。 为了简化低压设计,AD8237的钻石图超过了电源电压,如图1所示。

因此,下次利用仪表放大器进行设计时,记住考虑钻石图。 至少,这种钻石图不会招致国际刑警上门追查被盗的钻石!

图1. 输入共模电压与输出电压的关系

作者

Gustavo Castro

Gustavo Castro

Gustavo Castro [gustavo.castro@analog.com]是马萨诸塞州威明顿市线性和精密技术部门的应用工程师。其主要兴趣是精密信号调理和电子仪器的模拟与混合信号设计。2011年加入ADI公司之前,他在National Instruments从事高性能数字万用表和精密直流源设计工作达10年。Gustavo拥有墨西哥蒙特利技术学院电子系统学士学位和美国东北大学微系统与材料硕士学位。他拥有三项专利。