差分輸入至差分輸出放大器等效高溫解決方案

 當(dāng)今電子系統(tǒng)必須要能夠在前所未有的高溫條件下工作。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、油田設(shè)備和其他各種當(dāng)代以及新一代控制應(yīng)用要求器件能在超過200℃的溫度下工作。遺憾的是，集成電路的高溫工作性能極為有限，尤其當(dāng)溫度達(dá)到并超過200℃時(shí)。

應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的一種方法是遠(yuǎn)程放置電子設(shè)備，然而這種技術(shù)會(huì)增加成本，犧牲可靠性，且通常會(huì)降低系統(tǒng)精度。因此，針對(duì)200℃以上高溫工作而設(shè)計(jì)的電子電路需求不斷增加。碳化硅和砷化鎵可在高溫下工作，但這類工藝性價(jià)比不高。目前為止，并沒有很多物美價(jià)廉的差分放大器是特地針對(duì)高溫工作而設(shè)計(jì)的。

本文的設(shè)計(jì)思路提供了一種低成本、高性能的替代解決方案。連接兩個(gè)快速、低噪聲、高性能儀表放大器AD8229，可構(gòu)建高溫差分放大器。AD8229采用先進(jìn)的絕緣硅片(SOI)工藝制造，這種工藝同樣用于為各大跨國(guó)航空公司、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和石化產(chǎn)品供應(yīng)商提供精密壓力傳感器。采用SOI工藝制造的電路具有高精度性能、高度的可靠性、更佳的介質(zhì)兼容性以及擴(kuò)展高溫工作范圍。儀表放大器AD8229采用8引腳側(cè)面釬焊陶瓷雙列直插式封裝(SBDIP)，設(shè)計(jì)用于極端高溫環(huán)境下工作。在高溫情況下，介質(zhì)隔離工藝可最大程度地降低泄漏電流，且設(shè)計(jì)架構(gòu)可補(bǔ)償高溫下的低基極-發(fā)射極電壓。

ADC通常采用1.8V至5V單電源。若要在大共模電壓存在的情況下處理小信號(hào)，則可在ADC前放置一個(gè)儀表放大器，以便放大信號(hào)，同時(shí)抑制共模電壓，使ADC輸入不至于飽和。圖1顯示系統(tǒng)增益為2的全差分放大器。

該放大器與單端或差分輸入配合使用，提供低失真差分輸出，驅(qū)動(dòng)高精度ADC。這款完整的高溫解決方案具有放大和調(diào)整輸出，可極大地改善高溫惡劣環(huán)境下系統(tǒng)的性能以及工作效率。

放大器A用作跟隨器，放大器B用作反相器，它們?cè)贠UTP和OUTN之間形成增益調(diào)節(jié)差分信號(hào)。不用增益電阻時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置G = 2。若要求增益大于2，則可在RG兩端添加匹配增益設(shè)置電阻。

該電路的傳遞函數(shù)為：

VOUT = 2 × G × (VIN+ - VIN-) + VREF

其中：

G = 1 + 6 kO/ RG

圖1. 極端高溫差分放大器

增益精度取決于RG的絕對(duì)容差。外部增益電阻和內(nèi)部薄膜電阻的溫度系數(shù)失配會(huì)增加儀表放大器的增益漂移。不用增益電阻時(shí)，增益誤差和增益漂移保持最小。設(shè)置不同增益的能力為用戶提供了設(shè)計(jì)靈活性。系統(tǒng)增益G使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻值，如表1所示。請(qǐng)注意，它需要兩個(gè)增益設(shè)置電阻，才能設(shè)置系統(tǒng)增益，且這些電阻必須要能在高溫下工作。

表1. 使用1%標(biāo)準(zhǔn)電阻值可獲得的增益

該差分放大器抑制共模電壓的能力由內(nèi)部激光調(diào)整電阻的比率匹配決定;匹配度越高，共模抑制比(CMR)越高。若采用0.1%外部電阻和分立式放大器，則CMR限制為54dB，而該電路的CMR可達(dá)到86dB以上。

儀表放大器的共模抑制比通常在200Hz處下降。該電路可在更寬的頻率范圍內(nèi)抑制共模電壓(CMRR在5kHz頻點(diǎn)處最小值為80dB時(shí))。電路采用單電源ADC和其他元件，僅前端接口需要雙電源。采用雙電源時(shí)，該電路可測(cè)量小信號(hào)，同時(shí)抑制較大的負(fù)共模電壓。對(duì)REF引腳施加正電壓，即可對(duì)輸出進(jìn)行電平移動(dòng)。例如，使用5V單電源ADC時(shí)，在REF引腳上的2.5V電壓源將輸出設(shè)為中間電源電壓。該電壓源可以是ADC的基準(zhǔn)電壓，應(yīng)當(dāng)具有低阻抗特性，以避免降低CMR，而且還應(yīng)具備低漂移特性，以便在工作溫度范圍內(nèi)保持精度。

該電路的低失調(diào)和整個(gè)頻率范圍內(nèi)的高CMR性能使之成為橋式測(cè)量應(yīng)用的絕佳選擇。電橋可以直接與放大器的輸入端連接。它還可用于電壓輸出型壓力傳感器。由于它具有低噪聲和低漂移特性，因此還能用于診斷應(yīng)用中。

圖2. 差分輸出時(shí)彼此錯(cuò)相180°(溫度為225℃時(shí)測(cè)量)

請(qǐng)注意，AD8229的最高額定溫度為210℃。這些實(shí)驗(yàn)在210℃以上進(jìn)行，僅供參考。

兩路輸出的失配在“VoCM”節(jié)點(diǎn)處測(cè)量，由外部源VCM的電位設(shè)置。圖3顯示輸出共模誤差。

圖3. VoCM的電壓顯示輸出平衡誤差，0.5mV/div，225℃