儀表放大器是適合壓力或溫度測量等各種應用的出色組件，它的主要作用包括信號放大和阻抗適配。

在許多情況下，儀表放大器具有參考輸入引腳。在參考引腳上增加電壓會使輸出信號升高同等電壓。這樣就能簡單精確地將儀表放大器的輸出調整到ADC所需的輸入電平，從而可以使用ADC的完整輸入范圍，同時提高分辨率。在具有高共模信號的情況下，另一優勢是極為出色的共模抑制比和高精度。

圖1所示為典型3運算放大器設計中儀表放大器的內部原理圖。AD8421具有通用特性，適合各種應用。

使用儀表放大器時應當意識到，最大輸出電壓取決于輸入信號（共模或差分信號）、增益、電源電壓以及可能來自內部結構的限制。在3運算放大器架構中，第一級放大器（反相和同相輸入）以預設增益放大輸入信號。第二級放大器起到的是減法器作用。輸出信號由兩個輸入信號相減而構成。參考電壓會加到生成組合輸出的信號中。

生成這種內部模擬信號后，不同的因素現在可能導致內部飽和，并可能減少最大工作區域。

這些因素如下：

? 輸入電壓信號對于預設增益過高

? 參考電壓對于生成的輸出電壓信號過高

? 電源電壓過低

輸出電壓和儀表放大器工作區域取決于最大輸入信號、增益、參考電壓以及所選架構的限制，因此兩者計算起來都有難度。如果把這些因素放在一張圖中，可以得到一個菱形圖，即所謂的鉆石圖。菱形圖的空間表示可能的工作區域。計算起來并不簡單，因為有多個輸入和輸出。

儀表放大器鉆石圖工具是一款由ADI公司開發的在線工具，可用于此類計算。該工具可自動為所需輸出信號的參考電壓、輸入信號、電源電壓和增益計算可能的配置。它通過圖形顯示特定輸出信號可能的參數組合。

該工具包含所有ADI儀表放大器的規格，使用起來快捷方便。

圖1.典型儀表放大器的內部架構

圖2.儀表鉆石圖

圖3.儀表放大器簡化原理圖

圖4.建議使用的儀表放大器

圖2至圖4所示為該工具的圖形用戶界面及其鉆石圖、內部電路和建議使用的工具選項對應的窗口。

在第一個窗口（圖2）中，您可以輸入所需的全部參數，計算鉆石圖，并將其直觀顯示出來（可能的參數包括輸入信號、增益、電源電壓和參考電壓）。對于輸入信號，您可以選擇共模信號或差分信號。此外，該工具還有助于確定所選放大器的局限性并區分輸入-輸出和內部限制。現在可以估算工作區域。一般來說，建議在運算時不要太接近鉆石圖極限。

儀表放大器鉆石圖工具的第二個窗口提供該放大器的內部視圖，并顯示詳細的原理圖（圖3）。通過此視圖可以看到技術細節和各自的內部電壓。在需要檢查設計中可能的錯誤時，這一點非常重要。另外還提供控制模式來評估所選參數并提供替代方案（圖4）。

借助儀表放大器鉆石圖工具，ADI可以幫助您揭開鉆石圖的秘密。該工具提供簡單的用戶界面，24/7全天候在線可用，您可以隨時選擇和評估各種儀表放大器并設計更復雜的原理圖。

以下是個小測驗：

analog.com/designtools/en/diamond/

請為AD8422選用差分輸入，圖中顯示增益為100，正電源電壓為15 V，負電源電壓為-15 V。參考電壓為0。共模電壓為8 V。VDIFF 范圍為100 mV至148.5 mV。請假設我們使用全溫度范圍和10kΩ的負載。請使用鉆石圖工具和數據手冊解釋為什么此設置無效。

Christoph K?mmerer [christoph.kaemmerer@analog.com]自2015年2月開始擔任ADI公司現場應用工程師。他于2014年畢業于埃爾朗根-紐倫堡大學，獲得物理學碩士學位。畢業之后，他曾在利默里克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束后，Christoph正式成為ADI公司的現場應用工程師，專門針對新興應用領域。