AD8555型数字可编程放大器的原理及应用

摘要：AD8555是ADI推出的一款增益及输出失调，可数字编程的零漂移桥式传感放大器，特别适合于多点或多参量测量系统的前向通道，可对各种传感器信号进行调理。文中介绍了AD8555的引脚功能、内部结构和工作原理，并络出AD8555的典型应用。
关键词：AD8555；数字可编程；传感信号放大器；应用 

1 引言
    AD8555是ADI推出的一款增益及输出失调，可数字编程的零漂移桥式传感放大器，工作电压为2.7 V～5.5 V，工作温度范围为-40℃～125℃；其数字可编程增益控制范围为70～l 280；DC和ACCMRR高达96 dB；输入失调电压低(最大为10μV)，输入失调电压漂移50 nV／℃；通过外接电容器，可以方便地实现低通滤波功能；输入和输出范围很宽，能驱动低电压ADC。另外，AD8555还具有开路和短路故障保护以及输出摆幅限制功能。AD8555的这些特性给设计人员在对放大器进行调整和优化时带来极大方便，可广泛应用于测试和测量系统的前向通道，对压力传感、燃料压力传感、平衡桥传感、精密电流传感、爆破压力及泄漏压力检测等传感器信号进行调理。

2 AD8555的引脚功能
    AD8555采用8引脚SOIC或16引脚LFCSP封装，如图l所示。引脚功能如下：

    1脚(VDD)：正电源端；
    2脚(FILT/DIGOUT)：未经缓冲放大的低通滤波输出；在读模式下为编程数字输出；
    3脚(DIGIN)：程控数字输入端；
    4脚(VNEG)：反相输入端；
    5脚(VPOS)：同相输入端；
    6脚(VCLAMP)：输出箝位电压设定端；
    7脚(VOUT)：输出端；
    8脚(VSS)：负电源端。

3 AD8555的内部结构和工作原理
    AD8555的内部结构如图2所示。Al，A2，R2，R3，P1及P2构成放大器的第一级，A3，R4，R5，R6，R7,P3及P4构成减法器，作为放大器的第二级，A1、A2及A3均可实现自动调零，它们共同组成仪表放大器主电路，其中P1、P2及P3、P4是用于调节二级增益的数字可控电位器,二级放大器的增益温度系数均低于2x10-4ppm/℃,通过编程能对放大器增益进行70～l 280的大范围调整，可以完全通过在路调整实现。电阻器RF通过一只外接在FILT/DIGOUT和VDD或VSS间的电容器实现低通滤波。A4为输出缓冲器。A5为保护系统输出的箝位电路，其最大输出电流范围为为5 mA~10 mA,用于给缓冲放大器A4供电,并对A4输出的正向摆幅进行限定,设定方法是通过外部参考电压，AD8555允许驱动工作电压低于其工作电压的A/D转换器工作。

    为了防止桥式传感器的负载过重，2个差分输入端子(VPOS和VNEG)具有高输入阻抗和低偏置电流。自动调零电路通过不断修正放大器所产生的直流误差使失调和失调漂移降到最低。在-40℃~+125℃温度范围内，它具有10μV最大输入失调电压和65 nV/℃最大输入失调电压漂移。
    DIGIN是单线串行接口，通过它对放大器的增益和输出失调进行调整设置，增益调整范围是70~1280，二级放大器的增益可以分别单独进行设置和调整，调整到预定的增益值后，再利用DigiTrim专利多晶硅熔丝技术固定放大器的增益设置，实现增益永久设定。第一级增益调整通过调整Pl和P2的128步7bit编码进行，范围为4.00~6.40；第二级增益调整通过调整P3和P4的8步3 bit编码，范围为17.5~200。在永久性固定放大器的增益设定值之前，为获得最佳校准精度，可暂时在路设置和反复调节调整值。第一级增益与编码值的关系见公式(1)；第二级增益与编码值的关系如表l所列，放大器总增益GAlN=CAIN1xGAIN2。

   
    8-bit DAC提供放大器的失调电压设置，用于补偿输入信号的失调误差和给输出信号增加1个固定偏置电压。当偏离其预定作用时，这种单调DAC产生输出电压，摆动范围是VSS(输入代码0)~VDD(输入代码255)。DAC的8-bit分辨率提供的电压步长是VDD和VSS之差的O.39％，像增益一样，输出失调电压可暂时设置、评估和反复调节，然后通过多晶硅熔丝进行永久性地固定。公式(2)描述了DAC内部基准电压VDAC的近似值关系。
    放大器的输出电压VOUT可由公式(3)算出，其中GAIN为电路对于差分输入的默认内部初始增益，大小为70。当2个输入都接地时，因第一项接近0 V或最大10 mV(由于输入放大器误差)，这时电路的输出电压VOUT等于VDAC。
    AD8555采用2.7 V~5.5 V单电源工作。通过每一模拟输入端的上拉电流源实现电路故障检测，可防止开路、短路和输入悬空，当发生其中的任何一种情况时，都会导致输出电压被箝位到负电源电压(VSS)，另外，短路和浮空输入情况还可以通过VCLAMP端进行检测。输出低通滤波器由电阻器RF和AD8555外接的一只电容器构成，它可以方便地将输出频率调整在O kHz~400 kHz范围内。

4 AD8555在自动测量系统中的应用
    图3所示为AD8555在传感器测量前向通道中的配置。在测量系统前端，由于传感器性能上的差异，往往无法满足具备同等精度的要求，一种使各路传感器信号满足A/D转换要求并达到一致的通常方法是：通过电位器对各路放大器进行大量反复的调整，然后将其相应增益确定下来，这种方法既费时又费力，非常麻烦。使用AD8555后，电路设计和调整大大简化。因为它的增益设定和调整、失调设定和调整、输出电压箝位等功能均可全部用软件分别单独实现，且可完全在路进行。加之AD8555不仅能够用来补偿桥式传感器的失调和增益误差，而且可提供传感器故障指示，这给电路的调整测试带来极大的方便。另外，AD8555对电容性负载具有很大驱动能力，可以灵活地靠近传感器放置，也可远离信号调理电路。

    对AD8555进行编程时需要注意几个问题：
    数据从DIGIN引脚输入，脉宽twO为50 ns~10μs间的正脉冲向移位寄存器写0．脉宽tw1大于等于50μs以上的正脉冲向移位寄存器写l，编程数据脉冲之间的时间间隔ms一定要大于或等于10μs。图4所示为向移位寄存器写入010011的时序。单电源工作时，DIGIN引脚的电压在VSS与O.2VDD之间为低电平0，在O.8VDD与VDD之间为高电平l。
    初始状态：GAINl=4.0；GAIN2=17.5；主熔丝完好。
    AD8555使用38-bit的串行控制字进行编程写入，分为6场，串行字格式见表2。编程步骤如下：
    将VDD、VSS设定到使用电压，在模拟模式下对一、二级增益及输出失调设定数据输入器件进行反复调试，达到要求的精度；
    将VSS设为0VDD(5.5 V)，在编程模式下对各二级增益和输出失调控制代码进行永久性写入，固定AD8555指标，熔断器件的多晶硅主熔丝；
    将器件恢复为使用电压，利用读模式对编程代码进行校验；
    测量增益和输出失调，进行功能验证。

5 结束语
    AD8555是具有可设置增益、输出失调、故障检测、输出箝位和低通滤波器等功能的零漂移仪表用放大器，能简化多点、多参量检测系统的前向通道设计与调整，提供完整的从传感器到ADC的信号调理路径。