差分放大器的等效高温解决方案

作者：Chau Tran，Sherwin Gatchalian

当今电子系统必须要能够在前所未有的高温条件下工作。涡轮发动机、油田设备和其他各种当代以及新一代控制应用要求器件能在超过200℃的温度下工作。遗憾的是，集成电路的高温工作性能极为有限，尤其当温度达到并超过200℃时。

应对恶劣环境的一种方法是远程放置电子设备，然而这种技术会增加成本，牺牲可靠性，且通常会降低系统精度。因此，针对200℃以上高温工作而设计的电子电路需求不断增加。碳化硅和砷化镓可在高温下工作，但这类工艺性价比不高。目前为止，并没有很多物美价廉的差分放大器是特地针对高温工作而设计的。

本文的设计思路提供了一种低成本、高性能的替代解决方案。连接两个快速、低噪声、高性能仪表放大器AD8229，可构建高温差分放大器。AD8229采用先进的绝缘硅片（SOI）工艺制造，这种工艺同样用于为各大跨国航空公司、涡轮发动机和石化产品供应商提供精密压力传感器。采用SOI工艺制造的电路具有高精度性能、高度的可靠性、更佳的介质兼容性以及扩展高温工作范围。仪表放大器AD8229采用8引脚侧面钎焊陶瓷双列直插式封装（SBDIP），设计用于极端高温环境下工作。在高温情况下，介质隔离工艺可最大程度地降低泄漏电流，且设计架构可补偿高温下的低基极-发射极电压。

ADC通常采用1.8V至5V单电源。若要在大共模电压存在的情况下处理小信号，则可在ADC前放置一个仪表放大器，以便放大信号，同时抑制共模电压，使ADC输入不至于饱和。图1显示系统增益为2的全差分放大器。

该放大器与单端或差分输入配合使用，提供低失真差分输出，驱动高精度ADC。这款完整的高温解决方案具有放大和调整输出，可极大地改善高温恶劣环境下系统的性能以及工作效率。

放大器A用作跟随器，放大器B用作反相器，它们在OUTP和OUTN之间形成增益调节差分信号。不用增益电阻时，系统默认设置G = 2。若要求增益大于2，则可在RG两端添加匹配增益设置电阻。

该电路的传递函数为：

VOUT = 2 × G × （VIN+ - VIN-） + VREF

其中：

G = 1 + 6 kO/ RG

图1. 极端高温差分放大器

增益精度取决于RG的绝对容差。外部增益电阻和内部薄膜电阻的温度系数失配会增加仪表放大器的增益漂移。不用增益电阻时，增益误差和增益漂移保持最小。设置不同增益的能力为用户提供了设计灵活性。系统增益G使用多个标准电阻值，如表1所示。请注意，它需要两个增益设置电阻，才能设置系统增益，且这些电阻必须要能在高温下工作。

表1. 使用1%标准电阻值可获得的增益

该差分放大器抑制共模电压的能力由内部激光调整电阻的比率匹配决定；匹配度越高，共模抑制比（CMR）越高。若采用0.1%外部电阻和分立式放大器，则CMR限制为54dB，而该电路的CMR可达到86dB以上。

仪表放大器的共模抑制比通常在200Hz处下降。该电路可在更宽的频率范围内抑制共模电压（CMRR在5kHz频点处最小值为80dB时）。电路采用单电源ADC和其他元件，仅前端接口需要双电源。采用双电源时，该电路可测量小信号，同时抑制较大的负共模电压。对REF引脚施加正电压，即可对输出进行电平移动。例如，使用5V单电源ADC时，在REF引脚上的2.5V电压源将输出设为中间电源电压。该电压源可以是ADC的基准电压，应当具有低阻抗特性，以避免降低CMR，而且还应具备低漂移特性，以便在工作温度范围内保持精度。

该电路的低失调和整个频率范围内的高CMR性能使之成为桥式测量应用的绝佳选择。电桥可以直接与放大器的输入端连接。它还可用于电压输出型压力传感器。由于它具有低噪声和低漂移特性，因此还能用于诊断应用中。

图2. 差分输出时彼此错相180°（温度为225℃时测量）

请注意，AD8229的最高额定温度为210℃。这些实验在210℃以上进行，仅供参考。

两路输出的失配在“VoCM”节点处测量，由外部源VCM的电位设置。图3显示输出共模误差。

图3. VoCM的电压显示输出平衡误差，0.5mV/div，225℃

责任编辑：gt