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AD588由一个埋入式齐纳二极管基准、用于提供引脚可编程输出范围的放大器

时间:2019-10-10, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特征

低漂移:1.5 ppm/c;低初始误差:1 mV;引脚可编程输出:+10伏,+5伏,+65伏跟踪,–5伏,–10伏;柔性输出力和传感终端;高阻抗接地感测;机器浸渍包装;提供符合MIL-STD-883的版本。

一般说明

AD588代表了最先进技术的重大进步在单片电压基准中。低初始误差和低温漂移使AD588具有绝对精度以前不以单片形式提供。AD588使用专有的离子注入埋置齐纳二极管,以及高稳定性薄膜电阻的激光晶片切割低成本的卓越性能。

AD588包括基本参考单元和三个附加单元提供引脚可编程输出范围的放大器。这个放大器是激光修剪低偏移和低漂移,以保持参考精度。放大器已配置允许开尔文连接到负载和/或助推器,以驱动长线或大电流负载,提供全精度在应用电路中需要的AD588。低初始误差允许AD588用作系统需要12位的精密测量应用中的参考绝对准确。在这种系统中,AD588可以提供软件中用于系统校准的已知电压,以及漂移允许补偿中其他组件的漂移系统。手动系统校准和周期性成本因此,可以消除重新校准。而且,微调电位器的机械不稳定性使用AD588与自动校准软件结合使用。

AD588有四个版本。AD588JQ和AD588KQ和牌号封装在16铅金属陶瓷中规定为0°C至70°C操作。AD588AQ和BQ等级包装在16铅金属陶瓷中,并规定用于-25°C至+85°C的工业温度范围。

产品亮点

1、AD588提供12位绝对精度,无需任何用户调整。提供可选的微调连接需要更高精度的应用程序。微调可以不改变齐纳或缓冲器的工作条件放大器,因此不会增加温度漂移。

2、AD588的输出噪声非常低,通常为6μV p-p。提供一个管脚,用于使用外部电容器进行附加噪声滤波。

3、无需外部组件,可使用精度为±5 V的Kelvin输出连接跟踪模式。跟踪误差小于1 mV,可进行微调要求+5 V和-5 V输出之间的精确对称。

4、引脚捆扎能力允许多种输出配置:±5 V,+5 V,+10 V,–5 V和–10 V双输出输出或+5 V、-5 V、+10 V和-10 V单输出。

操作理论

AD588由一个埋入式齐纳二极管基准、用于提供引脚可编程输出范围的放大器以及如图1所示的相关薄膜电阻器组成。温度补偿电路为装置提供1.5ppm/℃或更低的温度系数。

放大器a1执行多个功能。a1主要作用是将齐纳电压从6.5v放大到所需的10v输出。此外,A1还提供了通过引脚5增益调整的10 V输出的外部调整。使用齐纳输出和A1的非垂直输入之间的偏置补偿电阻,可以在降噪引脚(引脚7)处添加电容器,以形成低通滤波器并降低齐纳对电路的噪声贡献。两个匹配的10 kΩ标称薄膜电阻器(R4和R5)将10 V输出分成两半。引脚VCT(引脚11)提供对电压范围中心的访问,引脚12(bal adj)可用于此分区的微调。

电路的接地感应由放大器A2提供。非垂直输入(引脚9)感应系统接地,接地将传输到电路上连接反向输入(引脚10)的点。这可能是针脚6、8或11。A2的输出将引脚8驱动到适当的电压。因此,如果插脚10连接到插脚8,vlow插脚的电压将与系统接地的电压相同。或者,如果插脚10连接到VCT插脚,它将接地,插脚6和插脚8将分别为+5 V和-5 V。

放大器a3和a4是内部补偿的,用于缓冲引脚6、8和11处的电压,并提供全开尔文输出。因此,ad588通过提供感测系统接地的方法以及提供参考该接地的强制和感测输出,具有全开尔文能力。

AD588的应用

AD588可以配置为提供+10V和-10V参考输出,分别如图2A和2C所示。它还可用于提供+5 V、-5 V或±5 V的跟踪基准,如图2B所示。表I详细说明了每个输出范围的适当管脚连接。在每种情况下,插脚9连接到系统接地,并向插脚2和16供电。

AD588的架构提供了地面感应和非承诺输出缓冲放大器,为用户提供了很大的功能灵活性。AD588是在图2A所示的配置中指定和测试的。用户可以选择利用AD588提供的许多其他配置选项。然而,这些配置的性能并不能保证满足极其严格的数据表规范。

如表I所示,可以使用+10V配置中的放大器A4提供+5V缓冲输出(图2A)。可使用-10V的放大器A3提供-5V缓冲输出

配置(图2c)。对于这些配置中的+5 V或-5 V输出,不保证规格。性能将类似于为+10 V或-10 V输出指定的性能。无缓冲输出在引脚6、8和11处可用。加载这些无缓冲的输出将损害电路性能。

放大器a3和a4可以互换使用。然而,AD588是用如图2A和表I所示连接的放大器进行测试(并保证规格)。当A3或A4未使用时,应连接其输出力和感测引脚,并将输入接地。

通过将a3和a4连接到插脚6、8或11上的适当无缓冲输出,可以获得相同电压的两个输出。这些双输出配置的性能通常符合数据表规范。

校准

一般来说,AD588将满足精度系统的要求,无需额外调整。初始输出电压误差为1 mV,输出噪声规格为10μV p-p,允许精度为12位至16位。然而,在需要更高精度的应用中,可能需要额外的校准。已通过使用增益调整销和平衡调整销(分别为插脚5和12)进行了微调。

AD588提供带中心抽头(VCT)的精密10 V跨距,该中心抽头与缓冲器和地感放大器一起使用,以实现表I中的电压输出配置。增益调整和平衡调整可用于这些配置中的任何一种,以微调跨距电压的大小和跨距内中心抽头的位置。应首先进行增益调整。尽管微调在设备内不交互,但增益微调会在改变量程大小时移动平衡微调点。

图2b显示了+5v和-5v跟踪配置中的增益和平衡微调。每个微调使用100 kΩ20圈电位计。增益微调电位计连接在引脚6(vHigh)和引脚8(vLow)之间,刮水器连接到引脚5(增益调整)。调节电位计,使其在放大器输出的引脚1和引脚15之间产生10 V的电压。然后将平衡电位计(也连接在针脚6和针脚8之间,并将雨刮器连接到针脚12(BAL ADJ))调整为将量程从+5 V调整到–5 V。

其他配置中的修剪工作方式完全相同。当产生+10 V和+5 V时,增益调整用于微调+10 V,平衡调整用于微调+5 V。在-10 V和-5 V配置中,增益调整再次用于微调量程-10 V的大小,平衡调整用于微调中心抽头,-5V。

在单输出配置中,增益调整用于微调输出使用全量程(+10 V或-10 V),同时使用BAL ADJ使用一半量程(+5 V或-5 V)微调输出。增益调整和平衡调整引脚上的输入阻抗为约150 kΩ。增益调整微调网络有效衰减10伏通过微调电位计以1500倍的系数提供-3.5 mV至+7.5毫伏,分辨率约为550微伏/转(20转电位计)。bal adj微调网络将微调电压衰减约1400倍,提供微调范围为±4.5 mV,分辨率为450微伏/转。

对AD588进行微调不会产生额外的温度误差,因此不需要精密电位器。

对于单输出电压范围,或在平衡的情况下,无需调整,插脚12应连接到插脚11。如果不需要增益调整,则引脚5应保持浮动。

噪声性能和降低

由ad588产生的噪声在0.1hz到10hz频带上通常小于6μv p-p。1MHz带宽中的噪声约为600μV p-p。该噪声的主要来源是埋置齐纳管,其贡献约为100 nV/√。相比之下,运算放大器的贡献可以忽略不计。图3显示了典型AD588的0.1Hz至10Hz噪声。

如果需要进一步降低噪声,可以在降噪引脚和接地之间添加一个可选电容器cn,如图2b所示。这将在齐纳单元的输出上形成一个带4kΩrb的低通滤波器。1μf电容器在40 Hz时有3 dB点,并将高频(至1 MHz)噪声降低至约200μV p-p。图4显示了典型AD588在有和没有1μf电容器时的1 MHz噪声。

注意:在–10 V模式下使用AD588时,需要第二个电容器来实现降噪功能(图2c.)。在此模式下,降噪电容器最大限制为0.1μf。

开启时间

应用电源(冷启动)时,在指定的误差范围内,输出电压达到其最终值所需的时间是接通稳定时间。通常与此相关的两个组件是:有源电路稳定的时间和芯片上的热梯度稳定的时间。图5a和5b显示了AD588的开启特性。它显示沉降大约为600微秒。请注意,当水平刻度扩展到图5b中的2 ms/cm时,没有任何热尾。

当使用外部降噪电容器时,输出导通时间被修改。当存在时,该电容器向内部齐纳二极管的电流源提供额外的负载,从而导致稍长的开启时间。对于1μf电容器,初始开启时间约为60 ms(见图6)。

注意:如果在±5 V配置中使用降噪功能,则需要在针脚6和针脚2之间安装一个39 kΩ的电阻器才能正常启动。

温度性能

AD588设计用于温度性能至关重要的精密参考应用。广泛的温度测试确保设备的高性能水平在工作温度范围内保持不变。

图7显示了AD588BD的典型输出电压漂移,并说明了测试方法。图7中的盒子的侧面由工作温度极限限定,顶部和底部由在工作温度范围内测量的最大和最小输出电压限定。从框的左下角绘制的对角线的坡度决定了设备的性能等级。

每个AD588A和B级单元在-25°C、0°C、+25°C、+50°C、+70°C和+85°C下进行测试。这种方法确保在规定范围内温度变化时发生的输出电压变化将包含在对角线斜率等于最大规定漂移的盒子内。随着初始误差和曲线形状的变化,盒子在垂直刻度上的位置会随着设备的变化而变化。在适当的温度范围内,盒子的最大高度如图8所示。重复这些结果需要在测试系统中结合高精度和稳定的温度控制。对AD588的评估将产生一个类似于图7的曲线,但输出读数可能会根据使用的测试方法和设备而变化。

开尔文连接

力和感测连接,也称为开尔文连接,提供了一种消除电路线中电压降影响的方便方法。如图9所示,负载电流和导线电阻在负载时产生误差(verror=r×il)。图9中的开尔文连接克服了这个问题,它将导线电阻包含在放大器的强制回路中,并感应到负载电压。放大器校正负载电压中的任何错误。在所示的电路中,放大器的输出实际上是10V+电压,负载电压是期望的10V。

AD588有三个放大器,可用于实现开尔文连接。放大器a2专用于地面力感测功能,而未承诺放大器a3和a4则可免费进行其他力感测工作。

在某些单输出应用中,一个放大器可能未使用。

在这种情况下,未使用的放大器应连接为单位增益跟随器(力+连接在一起的感应针),输入应接地。

未使用的放大器部分也可用于其它电路功能。图10到14显示了a3和a4的典型性能。

动态性能

输出缓冲放大器(a3和a4)被设计为向ad588提供静态和动态负载调节,优于不太完整的参考。

许多a/d和d/a转换器都会向基准端施加瞬态电流负载,基准响应不良会降低转换器的性能。

图15a和15b显示了驱动0毫安到10毫安负载的ad588输出放大器的特性。

图16a和16b显示了驱动5毫安到10毫安负载的输出放大器特性,这是在多个转换器之间共享基准或用于提供双极偏置电流时发现的常见情况。

在某些应用中,可变负载在性质上可以是阻性和电容性的,或者通过长电容电缆连接到ad588。

图17a和17b显示了驱动1000 pf、0 ma到10 ma负载的输出放大器特性。

图18a和18b显示了输出放大器之间的串扰。顶部轨迹显示A4的输出,直流耦合并偏移10伏,而A3的输出受到0毫安至10毫安的负载电流阶跃。a4处的瞬态沉降约为1μs,负载引起的偏移约为100μv。

尝试驱动大电容负载(超过1000 pF)可能会导致振铃或振荡,如步骤响应照片所示(图19a)。这是由于负载电容和放大器输出阻抗形成的附加极,消耗了相位裕度。图19b显示了驱动该量级电容性负载的推荐方法。150Ω电阻将电容性负载与输出级隔离,而10 kΩ电阻提供直流反馈路径并保持输出精度。1μf电容器提供高频反馈回路。该电路的性能如图19c所示。

使用AD588与转换器

AD588是各种A/D和D/A转换器的理想参考。下面是几个有代表性的例子。

14位数模转换器AD7535

高分辨率CMOS D/A转换器需要高精度的参考电压以保持额定精度。AD588和AD7535的组合利用AD588的初始精度、漂移和全开尔文输出能力以及AD7535的分辨率、单调性和精度,产生具有突出特性的子系统。见图20。

16位数模转换器AD569

另一个充分利用AD588为AD569提供参考,如图21所示。放大器a2感应系统公共点,并强制vct假定该值,分别在引脚6和引脚8处产生+5v和-5v。放大器a3和a4将这些电压缓冲到ad569的相应参考力检测引脚。全开尔文方案消除了电路痕迹或电线以及AD588和AD569本身的电线连接的影响,否则会降低系统性能。

替换内部引用

许多转换器都包含内置引用。不幸的是,这些参考是这些转换器漂移的主要来源。通过使用更稳定的外部参考,如AD588,漂移性能可以大大提高。

12位模数转换器AD574AAD574A使用其片上基准,规定增益漂移从10 ppm/℃到50 ppm/℃(取决于等级)。参考值通常占该漂移的75%。因此,使用ad588提供基准的总漂移可以提高3到4倍。

使用这种组合可能会由于激光修剪设备的车载参考与实际应用设备的外部参考之间的差异而导致满标度误差明显增加。车载参考电压规定为10 V±100 mV,而外部参考电压规定为10 V±1 mV。这可能导致高达101 mV的视在满标度误差超过±25 mV规定的AD574增益误差。外部电阻器r2和r3允许此错误为零。它们对全尺度漂移的贡献可以忽略不计。

高输出驱动能力允许AD588在多转换器系统中驱动多达六个转换器。所有转换器的增益误差将跟踪到优于±5 ppm/℃。

RTD励磁

电阻温度检测器(rtd)是一种以正温度系数表征电阻的电路元件。电阻测量值表示测量的温度。不幸的是,导致电阻式温度检测器的导线的电阻通常会增加测量误差。4线欧姆测量克服了这个问题。这种方法使用两根导线给电阻式温度检测器带来一个励磁电流,另外两根导线来抽空产生的电阻式温度检测器电压。如果这两条额外的导线连接到高输入阻抗测量电路,其电阻的影响可以忽略不计。因此,它们传输真实的rtd电压。

将4线欧姆技术与电阻式温度检测器结合使用时的一个实际考虑因素是励磁电流在RTD的温度上。设计者必须选择最小的实际励磁电流,仍然提供所需的分辨率。电阻式温度检测器制造商通常规定其每种型号或类型的电阻式温度检测器的自热效应。

图24显示了为100ΩRTD提供精确励磁电流的AD588。在电阻式温度检测器中,1毫安的小激励电流仅消耗0.1毫瓦的功率。

在rtd电流源应用中,放大器a3的输出驱动能力将负载电流限制在±10ma。如果需要更多的驱动电流,可以在反馈回路中插入一个串联晶体管,以提供更高的电流。通过晶体管不影响精度和漂移性能。

桥驱动器电路

惠斯通电桥是一种常见的传感器。在最简单的形式中,一个电桥由四个终端元件组成,两个终端元件连接成四边形,激励源沿着其中一条对角线连接,检测器包含另一条对角线。图26a显示了由单极励磁电源驱动的简单电桥。差分电压eo与元件与初始电桥值的偏差成正比。不幸的是,这个电桥输出电压是骑在一个共模电压约等于vin/2。对该信号的进一步处理必须限于高共模抑制技术,例如仪表或隔离放大器。

图26b显示了同一个电桥传感器,这次由一对双极电源驱动。这种配置理想地消除了共模电压,并放宽了对随后任何处理元件的限制。

如图27所示,AD588是双极桥驱动器方案中控制元件的最佳选择。晶体管q1和q2用作串联通元件,将电流驱动能力提高到典型350Ω电桥所需的28毫安。如果电桥平衡不理想,可能仍然需要差分增益级。这样的增益阶段可能很昂贵。

通过使用图28所示的电路来实现额外的共模电压降低。a1是地面感应放大器,它为电桥上的电源提供服务,在一个中心抽头处维持一个虚拟接地。相反中心抽头上出现的电压现在是单端的(参考接地),可以通过一个较便宜的电路放大。


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