IDAC 电流 I_IDAC 与标称电桥电阻 R_BRIDGE 一起确定电桥两端的总电压 V_BRIDGE。假设导线电阻为零，则 V_BRIDGE = V_EXCITATION = V_EXCITATION+ – V_EXCITATION-，这也用作 ADC 基准电压 V_REF。与节 6.1中所述的 V_EXCITATION 固定不变的电路不同，V_BRIDGE 会随着 R_BRIDGE 变化而变化。这个不断变化的 V_BRIDGE 电压也会导致 V_REF 和 ADC 输入电压也发生变化。此外，电流源不会像在其他电桥测量电路中那样，使电桥共模电压 V_CM(Bridge) 处于中间值。偏置电阻器 R_BIAS 有助于使 V_CM(Bridge) 保持在 ADC 模拟输入和电压基准输入的共模范围内。

R_BRIDGE 由于拉伸或压缩产生的微小变化会导致差分电桥输出电压发生变化。PGA 集成到 ADC 中，并增益该低电平信号，从而降低系统噪声并提高 ADC 满量程范围 (FSR) 的利用率。ADC 对这个经过放大的电压进行采样并对照 V_REF 进行转换，该电压与用于激励电桥的电压相同，因此是比例电压。在比例基准配置中，V_IN 和 V_REF 中的激励源噪声和漂移是相等的，从而有效地从 ADC 输出代码中消除了这些误差。

使用比例基准和电流激励的四线电阻式电桥测量需要：

• 差分模拟输入（AINP 和 AINN）
• 差分基准输入（REFP 和 REFN）
• 低噪声放大器
• 恒流源 (IDAC)
• 偏置电阻器（在某些情况下可选）

此外，使用比例基准和电流激励的四线电阻式电桥测量需要考虑多个因素，包括：

• 绝对（V_REFP 和 V_REFN）和差分 (V_REF) 基准电压
• 电桥激励电流 I_IDAC
• IDAC 顺从电压
• 电桥共模电压 V_CM(Bridge)
• 电桥两端电压 V_BRIDGE
• 电桥电阻 R_BRIDGE
• 偏置电阻值 R_BIAS

所有这些因素都相互关联，选择其中一个因素会影响其他一个或多个因素的选择。因此，可能需要进行多次设计迭代才能确定符合所有系统规格的最终结果。

为了减少可能的电路配置次数，建议开始设计时选择具有差分 V_REF 输入、集成式 IDAC 和 PGA 的 ADC 。绝对和差分 V_REF 规格约束 V_BRIDGE 的可能值。集成式 IDAC 将 I_IDAC 的选择限制为几个离散值，不再需要使用外部电路来驱动电桥。集成式 IDAC 还有明确定义的顺从电压，可帮助确定 R_BRIDGE 和 R_BIAS 的最大值。集成 PGA 通常需要模拟电源电压一半 (AVDD/2) 的共模电压，从而尽可能提高放大器增益，并将 PGA 输出电压保持在线性工作范围内。这会将目标 V_CM(Bridge) 设置为 AVDD/2，从而帮助确定是否需要 R_BIAS 电阻，如果需要，将会确定所需的电阻值。

例如，24 位 ADS1261 集成了所有这些必要特性。图 6-8 显示了 ADS1261 的差分和绝对 V_REF 电压要求。在使用单极电源以使 AVDD = 5V 且 AVSS = 0V 的情况下，图 6-8 显示了 V_REF 必须介于 0.9V 和 5V 之间。这会界定 V_BRIDGE 的可能值。此外，V_REFN 上的绝对电压可以向下扩展到 AVSS，而 V_REFP 上的绝对电压可以向上扩展到 AVDD。这种较宽的绝对 V_REF 电压范围通常不会限制其他系统元件的选择，但这一点应始终在每个设计中加以验证。

图 6-8 ADS1261 V_REF 工作条件

图 6-9 显示了 ADS1261 的可用 IDAC 电流设置和顺从电压。集成到精密 ADC 中的 IDAC 需要一定的 AVDD 余量以保持电流大小。由于 ADS1261 的 AVDD = 5V ±5%，IDAC 顺从电压 = AVDD – 1.1V = 3.9V。此值设置 R_BRIDGE + R_BIAS 以及 I_IDAC 上的上限。

图 6-9 ADS1261 IDAC 电流设置和顺从电压

为了确定 V_CM(Bridge) 是否处于 PGA 线性运行区域内，节 6.3.4介绍了 ADS1261 Excel 计算器，该计算器可绘制 PGA 输出曲线以展示输入参数是否有效。还可以选择所需的目标值，例如 V_CM(Bridge) = AVDD/2，然后围绕这个共模电压设计系统的其余部分。定义了具体的 ADC 工作条件后，开始选择其余的系统元件值。

对于本示例，假设 R_BRIDGE 可以是以下四个常用电桥电阻值中的任何一个值：120Ω、350Ω、1kΩ 或 3.5kΩ。然后，使用图 6-9 中给出的 ADS1261 IDAC 值，按照表 6-19 中的公式确定 V_BRIDGE。表 6-12 计算 I_IDAC 和 R_BRIDGE 所有可能组合下的 V_BRIDGE。

假设没有导线电阻，则 V_BRIDGE = V_REF。因此，表 6-12 根据 ADS1261 的要求，还用绿色突出显示了 0.9V < V_BRIDGE < 5V 下所有可能的系统组合。在 40 种可能的组合中，只剩下9种。

接下来，通过为 V_CM(Bridge) 选择一个值，确定剩余九种组合中每种组合的 R_BIAS 可能值。本示例使用 V_CM(Bridge) = AVDD/2，但也可以使用其他电压。始终确保，对于目标增益值，要满足 PGA 共模和绝对电压的要求。

按照表 6-19，V_CM(Bridge) = V_BRIDGE / 2 + V_BIAS，V_BRIDGE = I_IDAC • R_BRIDGE，V_BIAS = I_IDAC • R_BIAS。重新排列这些公式，可确定用 I_IDAC、R_BRIDGE 和 AVDD 表示的 R_BIAS，如方程式 60 所示：

关于方程式 60 的一个重要细节是，R_BIAS 可以为 0Ω，从而将 V_CM(Bridge) 公式简化为 V_CM(Bridge) = V_BRIDGE / 2。也就是说，只要仍然可以满足 ADC 和系统要求，就可以消除 R_BIAS 电阻。但本示例假设 R_BIAS 电阻是必需的。在任一种情况下，下一步是使用表 6-19 中的公式计算 V_COMPLIANCE。表 6-13 提供了表 6-12 中九种有效组合中每种组合的 R_BIAS 和 V_COMPLIANCE 计算值。此外，表 6-13 以绿色突出显示了处于 ADS1261 IDAC 顺从电压 3.9V 范围的 V_COMPLIANCE 值。

如表 6-13 所示，原始九种组合中的七种组合处于 ADS1261 指定的 IDAC 3.9V 顺从电压范围内。最终设计中可以使用上述任何选项。例如，图 6-10 显示了 R_BRIDGE = 1kΩ、R_BIAS = 2kΩ、I_IDAC = 1mA 的系统。IDAC 电流路径以红色突出显示，得到的系统电压以蓝色突出显示。

图 6-10 使用 R_BRIDGE = 1kΩ、R_BIAS = 2kΩ 和 I_IDAC = 1mA 进行的电流激励电桥测量

图 6-10 中有一个以前未讨论过的重要结果，是 V_BRIDGE = V_REF = 1V。也就是说，电流激励系统的 V_EXCITATION 等于 1V，而电压激励系统的 V_EXCITATION 通常大于等于 5V。假设每个电桥具有相同的灵敏度，电流激励电桥的输出电压是电压激励电桥的 20%。考虑到系统噪声目标，这可以将系统的动态范围降低到不可接受的水平。在这种情况下，应使用不同的 ADC、分立式电流源或更宽范围的 R_BRIDGE 值重复该设计过程。

选择了系统配置后，使用表 6-19 中的公式和表 6-18 中的参数，确定电桥的最大差分输出电压 V_{OUT(Bridge Max)}。该值是电桥在正常工作条件下可以提供的最大输出电压，并对应于可以施加到电桥的最大负载 Load_{(Bridge Max)}。如果系统不使用电桥的整个输出范围，则 V_{OUT(System Max)} 定义的是施加到特定系统的最大差分输出信号，Load_{(System Max)} 是对应的最大负载。例如，如果 V_{OUT(Bridge Max)} 对应于 Load_{(Bridge Max)} = 5kg，但系统规格只要求 Load_{(System Max)} = 2.5kg，则 V_{OUT(System Max)} 由方程式 61 给出：

请注意，如果 Load_{(System Max)} = Load_{(Bridge Max)}，则 V_{OUT(System Max)} = V_{OUT(Bridge Max)}。

确定了 V_{OUT(System Max)} 后，要为 ADC PGA 选择对应的增益值。最大增益值受之前所选的 V_CM(Bridge) 值和 ADC FSR 限制。鉴于V_CM(Bridge) 电压小于 ADC FSR，放大器增益应该是 使 PGA 输出电压保持在线性工作范围 的最大允许值。在某些情况下，无法选择使用整个 ADC FSR 的放大器增益。虽然这通常是分辨率和易用性之间的一种可接受的折衷，但应确保在 ADC FSR 无法最大化的情况下仍然满足所有系统要求。

最后，如果需要校准，请按照节 5.5中的说明操作。