差分輸入至差分輸出放大器等效高溫替代解決方案

當今電子系統必須要能夠在前所未有的高溫條件下工作。渦輪發動機、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、渦輪發動機和石化產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境下系統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之間形成增益調節差分信號。不用增益電阻時，系統默認設置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。外部增益電阻和內部薄膜電阻的溫度系數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保持精度。

該電路的低失調和整個頻率范圍內的高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℃