Warum ist die Verstärkung meines Instrumentenverstärkers nicht linear?

Ich verwende einen AD8226 -Instrumentenverstärker als Vorverstärker in einer Schaltung, die einen Mikro-Brennstoffzellen-Sauerstoffsensor verwendet, um den Sauerstoffgehalt in einem Gasstrom zu messen. Der Vorverstärker ist im Single-Ended-Versorgungsmodus mit einer 5-V-Versorgung konfiguriert. Der Verstärkungswiderstand wurde so gewählt, dass er eine Verstärkung von ~80 ergibt.

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Der Ausgang des Eingangsverstärkers wird dann durch einen aktiven Tiefpassfilter und zum ADC eines Mikrocontrollers geleitet, aber ich glaube nicht, dass dies für das Problem relevant ist. Alles, was hier besprochen wurde, wurde mit dem Vorverstärkerausgang (O2_PRE-Knoten im Diagramm) durchgeführt, der schwebend und nur an ein Multimeter angeschlossen war.

Beim Testen dieser Schaltung mit dem Sensor stellte ich fest, dass die Verstärkung schön und linear war - bis zu einem bestimmten Punkt, an dem die Verstärkung abfiel (dieser Punkt lag bei etwa 20 mV Eingang/1,6 V Ausgang).

Um Probleme mit dem Sensor zu beseitigen, habe ich den Sensor durch einen Spannungsteiler ersetzt, der aus einem festen Widerstand und einem linearen Poti mit mehreren Umdrehungen besteht:

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Beim Widerstandsnetzwerk habe ich das gleiche Problem beobachtet (siehe weiter unten für eine Darstellung des Inamp-Ausgangs).

Um Probleme mit den umgebenden Schaltkreisen weiter zu beseitigen, habe ich direkt mit dem AD8226 verbunden, wobei ich meine Tischplattenversorgung als VCC verwendet habe. Geben Sie die hier gezeigte Schaltung an:

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Dies zeigte das gleiche Verhalten wie in diesem Diagramm:

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('Mainboard' bezieht sich auf den Ausgang, wenn der Spannungsteiler zum Ansteuern der ursprünglichen Schaltung verwendet wird, die Verstärkung des 'Steckbretts' ist etwas niedriger, da ich einen 630R-Verstärkungswiderstand verwendet habe.)

Das Datenblatt des AD8226 spezifiziert einen Ausgangsspannungshub von 0,1 V bis +VS−0,1 V im Single-Ended-Modus. Ich messe den Ausgang in ein hochwertiges Multimeter (dh hohe Impedanz), obwohl ich die gleichen Ergebnisse beobachtet habe, als ich einen Lastwiderstand von 20 K hinzugefügt habe. Ich habe die Ergebnisse mit mehreren AD8226-Geräten wiederholt.

Kann jemand erklären, warum die Verstärkung über einem Differenzeingang von ~ 20 mV abfallen würde, da ich anscheinend gut innerhalb der Ausgangsgrenzen bleibe?

Was ist der DC-Ausgangspegel? Auch wenn Sie 20 mv in sagen, ist das 20 mv DC-Offset oder +/- 10 mv Rechteckwelle oder 20 mv rms AC?
Der Punkt, an dem die Verstärkung abfällt, liegt bei 20 mV DC-Differenz zwischen den Eingängen des Eingangsverstärkers (wobei zu beachten ist, dass der negative Eingang bei meinen Spannungsteilertests auf Masse liegt). Dies entspricht 1,6 V DC am Ausgang.

Antworten (1)

Höchstwahrscheinlich eine Gleichtaktspannungsverletzung. Siehe Abbildung 15 des Datenblatts. Leider gibt es Ihnen nicht die Grenzen für eine einzelne Stromversorgung, aber es zeigt Ihnen, dass Gleichtakt- und Ausgangsspannungsgrenzen Hand in Hand gehen.

Aktionen, die Ihr Problem lösen können:

  • Verwenden Sie eine duale Stromversorgung.
  • Heben Sie die Eingänge über den Boden.
  • Verwenden Sie eine niedrigere Verstärkungseinstellung.

BEARBEITEN:

Wie von Dave Tweed betont, enthält das Datenblatt Informationen zu Gleichtakt- und Ausgangsspannungsbereichen für eine Einzelversorgung. Siehe Abbildung 13 auf Seite 10 des Datenblatts (Ihr Fall ist der blaue dreieckige Bereich). Ihr Gleichtakteingang ist praktisch geerdet. Sobald Ihr Ausgang etwa 0,7 V überschreitet, wird der Grenzwert überschritten und Ihr Gerät verhält sich nicht wie angegeben. Dies geschieht auch dann, wenn Sie Vref auf 2,5 V ändern: Die Ausgangsgrenze beträgt 3,2 V, damit eine Gleichtakt-Eingangsspannung von Masse ungültig wird.

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Abbildung 13 zeigt die Grenzwerte für Einzelversorgung, G=100, Vref=0. Wenn die Ausgangsspannung über etwa 0,7 V ansteigt, enthält der Eingangs-Gleichtaktbereich nicht mehr Masse.
Yup - teilen Sie Ihre 50.000 auf der hohen Seite des Sensors in 2 25.000, einen auf jeder Seite.
Auf Seite 20 des Datenblatts wird ausführlicher erläutert, wie Sie die Verstärker im Inneren begrenzen können, ohne die Eingangs- oder Ausgangsbereiche zu überschreiten. +1
100% richtig. Das habe ich bei der Auswahl des Teils übersehen. Glücklicherweise hat der AD8227 eine ähnliche Leistung, aber einen viel breiteren Ausgangsbereich bei 0 V Gleichtakt. Scotts Vorschlag funktioniert auch hervorragend, ist aber im endgültigen Design schwieriger zu erreichen (ohne zusätzliche Teile hinzuzufügen, um den Sensor nach oben vorzuspannen, was ein erneutes Drehen der Leiterplatte bedeuten würde).
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