零漂移橋式傳感放大器AD8555的性能特點及應用范圍

1、 引言

AD8555是ADI推出的一款增益及輸出失調，可數字編程的零漂移橋式傳感放大器，工作電壓為2.7 V～5.5 V，工作溫度范圍為-40℃～125℃；其數字可編程增益控制范圍為70～l 280；DC和ACCMRR高達96 dB；輸入失調電壓低（最大為10μV），輸入失調電壓漂移50 nV／℃；通過外接電容器，可以方便地實現低通濾波功能；輸入和輸出范圍很寬，能驅動低電壓ADC。另外，AD8555還具有開路和短路故障保護以及輸出擺幅限制功能。AD8555的這些特性給設計人員在對放大器進行調整和優(yōu)化時帶來極大方便，可廣泛應用于測試和測量系統的前向通道，對壓力傳感、燃料壓力傳感、平衡橋傳感、精密電流傳感、爆破壓力及泄漏壓力檢測等傳感器信號進行調理。

2 、AD8555的引腳功能

AD8555采用8引腳SOIC或16引腳LFCSP封裝，如圖1所示。引腳功能如下：

1腳（VDD）：正電源端；

2腳（FILT/DIGOUT）：未經緩沖放大的低通濾波輸出；在讀模式下為編程數字輸出；

3腳（DIGIN）：程控數字輸入端；

4腳（VNEG）：反相輸入端；

5腳（VPOS）：同相輸入端；

6腳（VCLAMP）：輸出箝位電壓設定端；

7腳（VOUT）：輸出端；

8腳（VSS）：負電源端。

3 、AD8555的內部結構和工作原理

AD8555的內部結構如圖2所示。Al，A2，R2，R3，P1及P2構成放大器的第一級，A3，R4，R5，R6，R7，P3及P4構成減法器，作為放大器的第二級，A1、A2及A3均可實現自動調零，它們共同組成儀表放大器主電路，其中P1、P2及P3、P4是用于調節(jié)二級增益的數字可控電位器，二級放大器的增益溫度系數均低于2x10-4ppm/℃，通過編程能對放大器增益進行70～l 280的大范圍調整，可以完全通過在路調整實現。電阻器RF通過一只外接在FILT/DIGOUT和VDD或VSS間的電容器實現低通濾波。A4為輸出緩沖器。A5為保護系統輸出的箝位電路，其最大輸出電流范圍為為5 mA~10 mA，用于給緩沖放大器A4供電，并對A4輸出的正向擺幅進行限定，設定方法是通過外部參考電壓，AD8555允許驅動工作電壓低于其工作電壓的A/D轉換器工作。

為了防止橋式傳感器的負載過重，2個差分輸入端子（VPOS和VNEG）具有高輸入阻抗和低偏置電流。自動調零電路通過不斷修正放大器所產生的直流誤差使失調和失調漂移降到最低。在-40℃~+125℃溫度范圍內，它具有10μV最大輸入失調電壓和65 nV/℃最大輸入失調電壓漂移。

DIGIN是單線串行接口，通過它對放大器的增益和輸出失調進行調整設置，增益調整范圍是70~1280，二級放大器的增益可以分別單獨進行設置和調整，調整到預定的增益值后，再利用DigiTrim專利多晶硅熔絲技術固定放大器的增益設置，實現增益永久設定。第一級增益調整通過調整Pl和P2的128步7bit編碼進行，范圍為4.00~6.40；第二級增益調整通過調整P3和P4的8步3 bit編碼，范圍為17.5~200。在永久性固定放大器的增益設定值之前，為獲得最佳校準精度，可暫時在路設置和反復調節(jié)調整值。第一級增益與編碼值的關系見公式（1）；第二級增益與編碼值的關系如表l所列，放大器總增益GAlN=CAIN1xGAIN2。

8-bit DAC提供放大器的失調電壓設置，用于補償輸入信號的失調誤差和給輸出信號增加1個固定偏置電壓。當偏離其預定作用時，這種單調DAC產生輸出電壓，擺動范圍是VSS（輸入代碼0）~VDD（輸入代碼255）。DAC的8-bit分辨率提供的電壓步長是VDD和VSS之差的O.39％，像增益一樣，輸出失調電壓可暫時設置、評估和反復調節(jié)，然后通過多晶硅熔絲進行永久性地固定。公式（2）描述了DAC內部基準電壓VDAC的近似值關系。

放大器的輸出電壓VOUT可由公式（3）算出，其中GAIN為電路對于差分輸入的默認內部初始增益，大小為70。當2個輸入都接地時，因第一項接近0 V或最大10 mV（由于輸入放大器誤差），這時電路的輸出電壓VOUT等于VDAC。

AD8555采用2.7 V~5.5 V單電源工作。通過每一模擬輸入端的上拉電流源實現電路故障檢測，可防止開路、短路和輸入懸空，當發(fā)生其中的任何一種情況時，都會導致輸出電壓被箝位到負電源電壓（VSS），另外，短路和浮空輸入情況還可以通過VCLAMP端進行檢測。輸出低通濾波器由電阻器RF和AD8555外接的一只電容器構成，它可以方便地將輸出頻率調整在O kHz~400 kHz范圍內。

4 、AD8555在自動測量系統中的應用

圖3所示為AD8555在傳感器測量前向通道中的配置。在測量系統前端，由于傳感器性能上的差異，往往無法滿足具備同等精度的要求，一種使各路傳感器信號滿足A/D轉換要求并達到一致的通常方法是：通過電位器對各路放大器進行大量反復的調整，然后將其相應增益確定下來，這種方法既費時又費力，非常麻煩。使用AD8555后，電路設計和調整大大簡化。因為它的增益設定和調整、失調設定和調整、輸出電壓箝位等功能均可全部用軟件分別單獨實現，且可完全在路進行。加之AD8555不僅能夠用來補償橋式傳感器的失調和增益誤差，而且可提供傳感器故障指示，這給電路的調整測試帶來極大的方便。另外，AD8555對電容性負載具有很大驅動能力，可以靈活地靠近傳感器放置，也可遠離信號調理電路。

對AD8555進行編程時需要注意幾個問題：

數據從DIGIN引腳輸入，脈寬twO為50 ns~10μs間的正脈沖向移位寄存器寫0．脈寬tw1大于等于50μs以上的正脈沖向移位寄存器寫l，編程數據脈沖之間的時間間隔ms一定要大于或等于10μs。圖4所示為向移位寄存器寫入010011的時序。單電源工作時，DIGIN引腳的電壓在VSS與O.2VDD之間為低電平0，在O.8VDD與VDD之間為高電平l。

初始狀態(tài)：GAINl=4.0；GAIN2=17.5；主熔絲完好。

AD8555使用38-bit的串行控制字進行編程寫入，分為6場，串行字格式見表2。編程步驟如下：

將VDD、VSS設定到使用電壓，在模擬模式下對一、二級增益及輸出失調設定數據輸入器件進行反復調試，達到要求的精度；

將VSS設為0VDD（5.5 V），在編程模式下對各二級增益和輸出失調控制代碼進行永久性寫入，固定AD8555指標，熔斷器件的多晶硅主熔絲；

將器件恢復為使用電壓，利用讀模式對編程代碼進行校驗；

測量增益和輸出失調，進行功能驗證。

5、 結束語

AD8555是具有可設置增益、輸出失調、故障檢測、輸出箝位和低通濾波器等功能的零漂移儀表用放大器，能簡化多點、多參量檢測系統的前向通道設計與調整，提供完整的從傳感器到ADC的信號調理路徑。

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