差分輸入至差分輸出放大器等效高溫解決方案

當今電子系統(tǒng)必須要能夠在前所未有的高溫條件下工作。渦輪發(fā)動機、油田設備和其他各種當代以及新一代控制應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，尤其當溫度達到并超過200℃時。

應對惡劣環(huán)境的一種方法是遠程放置電子設備，然而這種技術會增加成本，犧牲可靠性，且通常會降低系統(tǒng)精度。因此，針對200℃以上高溫工作而設計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，但這類工藝性價比不高。目前為止，并沒有很多物美價廉的差分放大器是特地針對高溫工作而設計的。

本文的設計思路提供了一種低成本、高性能的替代解決方案。連接兩個快速、低噪聲、高性能儀表放大器AD8229，可構建高溫差分放大器。AD8229采用先進的絕緣硅片（SOI）工藝制造，這種工藝同樣用于為各大跨國航空公司、渦輪發(fā)動機和石化產(chǎn)品供應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、更佳的介質兼容性以及擴展高溫工作范圍。儀表放大器AD8229采用8引腳側面釬焊陶瓷雙列直插式封裝（SBDIP），設計用于極端高溫環(huán)境下工作。在高溫情況下，介質隔離工藝可最大程度地降低泄漏電流，且設計架構可補償高溫下的低基極-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，則可在ADC前放置一個儀表放大器，以便放大信號，同時抑制共模電壓，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，驅動高精度ADC.這款完整的高溫解決方案具有放大和調整輸出，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，它們在OUTP和OUTN之間形成增益調節(jié)差分信號。不用增益電阻時，系統(tǒng)默認設置G = 2.若要求增益大于2，則可在RG兩端添加匹配增益設置電阻。

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)失配會增加儀表放大器的增益漂移。不用增益電阻時，增益誤差和增益漂移保持最小。設置不同增益的能力為用戶提供了設計靈活性。系統(tǒng)增益G使用多個標準電阻值，如表1所示。請注意，它需要兩個增益設置電阻，才能設置系統(tǒng)增益，且這些電阻必須要能在高溫下工作。



表1.使用1%標準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頻點處最小值為80dB時）。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，該電路可測量小信號，同時抑制較大的負共模電壓。對REF引腳施加正電壓，即可對輸出進行電平移動。例如，使用5V單電源ADC時，在REF引腳上的2.5V電壓源將輸出設為中間電源電壓。該電壓源可以是ADC的基準電壓，應當具有低阻抗特性，以避免降低CMR，而且還應具備低漂移特性，以便在工作溫度范圍內(nèi)保持精度。

該電路的低失調和整個頻率范圍內(nèi)的高CMR性能使之成為橋式測量應用的絕佳選擇。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用中。



圖2.差分輸出時彼此錯相180°（溫度為225℃時測量）

請注意，AD8229的最高額定溫度為210℃。這些實驗在210℃以上進行，僅供參考。

兩路輸出的失配在“VoCM”節(jié)點處測量，由外部源VCM的電位設置。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℃