ZHCAD68 应用手册 | 德州仪器 TI.com.cn

ZHCAD68 September 2023 INA823 , OPA2387 , XTR115 , XTR116

2.2 2A INA

该设计选择分立式 2A INA 来放大电桥产生的差分电压。之所以选择分立式解决方案而不是集成式 INA，是因为需要宽增益范围和零漂移技术，以便在温度范围内实现高精度。电路配置和传递函数分别如图 2-4 和方程式 4 所示。

图 2-4 分立式 2A INA 配置

方程式 4.

V_{o u t_I N A)} = (1 + \frac{R 3}{R 2} + \frac{2 R 2}{R G}) * (V 2 - V 1) + V_{R E F}, W h e r e R 1 = R 2 a n d R 3 = R 4

称重传感器实验显示 V_DIFF 的变化大概为 95μV/lb。因此，需要一个增益级将输出电压增加到适当的范围，以馈入 4-20mA 变送器。2A INA 的增益计算公式如下。所需的 INA 输出电压在 0 磅时为 0.5V，在 20 磅时为 4.5V。

方程式 5.

V_{D I F F_M A X} = s e n s i t i v i t y \times \max l o a d = 95 μ V / l b \times 20 l b s \to V_{D I F F_M A X} = 1.9 m V

方程式 6.

G a i n = \frac{(V_{o u t m a x_I N A} - V_{o u t m i n_I N A})}{V_{D I F F_M A X}} = \frac{4.5 V - 0.5 V}{1.9 m V} \to G a i n = 2105 V / V

所需增益用于计算 2A INA 的电阻值。R1 和 R2 设置为 100kΩ，R3 和 R4 设置为 10kΩ。

方程式 7.

R G = \frac{2 * R 2}{G a i n - 1 - \frac{R 3}{R 2}} = \frac{2 * 100 k Ω}{2105 V / V - 1 - \frac{100 k Ω}{10 k Ω}} = 95.511 Ω \to R G = 95.3 Ω (s t a n d a r d v a l u e)

方程式 8.

G a i n = (1 + \frac{R 3}{R 2} + \frac{2 R 2}{R G}), W h e r e R 1 = R 2 a n d R 3 = R 4

选择用于电桥检测的放大器时，直流精度和噪声是关键考虑因素。低输入失调电压、漂移和输入偏置电流对于实现高精度输出至关重要。1/f 噪声低的放大器非常重要，因为桥式传感器通常用于低信号频率。对于 2A INA，该设计选择 OPA2387（请参阅零漂移放大器：特性和优势 应用简介）。表 2-1 总结了桥式放大器级的主要规格，并推荐了为此应用而设计的其他精密放大器。

表 2-1 桥式放大器器件的主要规格

器件	OPAx387	OPAx333	OPAx186
(V)	1.7 至 5.5	1.8 至 5.5	4.5 至 24
Vos（最大值，μV）	2	10	5
Vos 漂移（典型值，nV/°C）	3	20	1
输入偏置电流（典型值，pA）	30	70	100
噪声（0.1Hz 至 10Hz，nV/√Hz）	27	170	125
每通道 Iq（典型值，µA）	570	17	90

当称重传感器上未施加重量时，2A INA 的输出电压约为 0.345V。因此，采用了 0.155V 基准电压将 0 磅时的输出电压升压至 0.5V。TI 的模拟工程师计算器 可用于计算提供尽可能低的基准电压误差的标准电阻值。

INA 的基准电压（即 V_{REF INA}）由 4.096V XTR 基准与本地接地端之间的分压器进行设置，其中的串联电阻必须在数十 kΩ 范围内，以便限制电流消耗。为防止输入电阻 R1 造成的压降，V_{REF INA} 必须由低阻抗源驱动。选择 TLV333 来缓冲基准电压的原因是其功耗低，直流精度高。

方程式 9.

V_{R E F_I N A)} = 0.155 V = V_{R E F_X T R} \times \frac{R_{B 2}}{R_{B 1} + R_{B 2}} \to R_{B 1} = 76.8 k Ω, R_{B 2} = 3.01 k Ω