设计说明

该指导手册的目的是演示使用差分放大器或仪表放大器将具有高共模电压 (Vcm) 的信号转换为 ADS86XX 系列可以接受的电平的优点和缺点。ADS86XX 系列无法支持高 Vcm，因此使用差分或仪表放大器驱动 ADC 可解决该问题。INA828 器件是一款仪表放大器，具有极高的输入阻抗 (100GΩ)、出色的直流精度和低噪声。INA828 可以接受其电源电压范围 (±15V) 内的共模信号。INA149 器件是单位增益差分放大器，具有高达 ±275V 的高输入共模电压范围，但输入阻抗低于 INA828 器件（差分 = 800kΩ，共模 = 200kΩ）。ADS86XX 系列 ADC 具有集成式模拟前端 (AFE) 和多路复用器，使其成为 PLC（模拟输入模块）、保护继电器、电网自动化和其他各种工业应用的理想候选。

设计说明

1. 由于集成式模拟前端和多路复用器，因此选择了 ADS86XX 系列 HV SAR ADC。由于具有集成式 AFE，因此无需使用额外的组件即可驱动 ADC。
2. 选择了 INA149 器件来提供极高的共模电压 (Vcm = ±275V)。
3. 将 INA828 器件与 INA149 进行比较，可看出 INA828 器件具有高输入阻抗 (100GΩ)，INA149 器件具有较低的输入阻抗（差分 = 800kΩ，共模 = 200kΩ）。此外，INA149 器件具有非常宽的共模范围 (Vcm = ±275V)，但 INA828 共模范围仅限于电源电压范围（例如 ±15V）。如果需要高输入阻抗，则可以使用 INA828 器件，但注意不要超出共模范围。请注意，当传感器输出阻抗较高时，高输入阻抗很重要，因为这会产生分压器效应并引入误差。
4. 在该示例中，输入信号是 ±10.24V。因此，无需使用电阻器 Rg 即可设置 INA828 器件的增益 = 1。如果输入信号较小，请使用适当的电阻器值通过基准引脚上的适当基准电压设置增益，以实现与 ADC 的输入范围相匹配的输入摆幅。
5. 使用仪表放大器的共模输入范围计算器软件工具检查仪表放大器的共模范围。
6. 如果需要增益，则为增益设置电阻器 (Rg) 使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜电阻器或更佳的电阻器，以实现理想增益精度和低增益漂移。

元件选型

1. ADS86XX 可以接受 ±10.24V 的单端输入信号。在该示例中，输入信号为 ±10.24V，因此 INA828 器件无需外部增益设置电阻器。INA149 器件是单位增益差分放大器，因此无需额外的元件。
2. INA828 基准电压输入用于更改输入，以匹配 ADC 的输入范围。在该示例中，ADC 输入范围是对称的，因此基准引脚接地。
3. 使用仪表放大器的共模输入范围计算器确定 INA828 器件是超出共模范围。在该示例中，INA828 器件显示您可以通过 ±15V 电源在增益 = 1 且 Vref = 0V 的情况下实现 8.38V 的最大 VCM。
   

直流传输特性

下图展示了 INA149 器件的线性输出响应。ADC 的输入范围是 ±10.24V，因此放大器的线性度远远超出 ADC 所需的范围。请参阅使用仪表放大器时确定 SAR ADC 的线性范围，了解有关该主题的详细理论。

交流传输特性

当增益 = 1V/V（或 0dB）时，INA149 器件的仿真带宽是 505kHz。当增益为 0dB 时，INA828 器件的仿真带宽是 1.78MHz。这两个仿真带宽都非常符合各自的数据表。请观看放大器带宽视频系列，了解有关该主题的更多详细信息。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

使用 ±10.24V 差分输入和 275V 共模电压对 INA149 器件进行了仿真。以下 TINA 仿真显示了 INA149 器件的差分输入和单端输出。该器件没有 200V 共模电压问题。

使用 ±10.24V 差分输入和 7.75V 共模电压对 INA828 器件进行了仿真。以下 TINA 仿真显示了 INA828 器件的差分输入和单端输出。

噪声仿真

该部分提供了 INA149 和 INA828 器件的简化噪声计算。仿真结果与计算结果非常接近。有关放大器噪声计算的详细理论，请参阅运算放大器：噪声 4；有关数据转换噪声，请参阅计算 ADC 系统的总噪声。

ADS8688 器件具有内部二阶 15kHz LPF。该滤波器可显著降低仪表放大器产生的噪声。

设计中采用的器件

主要文件链接

德州仪器 (TI)，SBAC224 源文件，软件支持