CN0355

图1所示电路基于24位Σ-Δ型ADC AD7793。该ADC有三路差分模拟输入和一个增益范围为单位增益到128的片内低噪声PGA，因此非常适合多个传感器接口。AD7793 的最大功耗仅500 μA，因而适合低功耗应用。它内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源，也可采用外部差分基准电压。 输出数据速率可通过软件在4.17 Hz至470 Hz范围内设置。

AD8420 l是一款低功耗仪表放大器，电源电流最大值为80 μA，可以采用最高36 V的单电源供电，用于消除桥式传感器的共模电压。需要时，它也可为传感器的小差分信号输出提供增益。

ADA4096-2是一款双通道运算放大器，每个放大器的典型电源电流为60 μA，具有最高30 V的宽工作输入电压范围，用于驱动传感器电桥。ADA4096-2 的另一半用作基准电压缓冲器。

有很多种类的压力传感器需要5 V至15 V之间的电压驱动。图1所示电路为桥式传感器提供了一种完整的解决方案，包含四个关键部分：传感器电压驱动、仪表放大器、基准电压缓冲器和ADC。

桥式传感器电压驱动

ADA4096-2 配置为同相放大器，其配置增益由反馈电阻设置，如图2所示。

增益通过配置表1列出的跳线来设置。

传递函数计算如下：

其中， R_F 可以是40.2 kΩ、91 kΩ或140 kΩ，R8 = 10 kΩ。

NPN晶体管用于提高驱动桥式传感器所需的电流。 提供给 ADA4096 反相输入端的反馈使得反相输入电压等于同相输入电压，从而确保桥式电路上的 V_DRIVE 保持恒定的电压。

晶体管Q1为BJT，最大击穿电压为80 V，25°C时功耗为0.35 W。集电极最大电流为500 mA。

仪表放大器

AD8420 抑制电桥处产生的共模电压，仅放大差分电桥电压，如图3所示。该特性使得AD8420 摆脱了大多数传统仪表放大器架构存在的、共模输入和输出电压之间交互作用导致的多种限制。 该仪表放大器的增益设置为1。

AD8420 的输入端有一个差模噪声滤波器(20 kΩ/1 μF/100 nF)，其带宽为7.6 Hz，还有一个共模噪声滤波器(10 kΩ/100 nF)，其带宽为150 Hz。 传统仪表放大器架构需要使用低阻抗源驱动基准电压引脚， 基准电压引脚上的任何阻抗都会降低共模抑制比(CMRR)和增益精度。而对于AD8420 架构，基准电压引脚上的电阻对CMRR无影响。AD8420 的传递函数为：

其中：

在−40°C至+85°C温度范围内， AD8420 差分输入电压在内部被二极管限制在±1 V。如果输入电压超过此限值，内部二极管就会开始传导并消耗电流。 电流在内部被限制在保证AD8420安全的值。

基准电压缓冲器

AD7793产生的210 μA激励电流通过5 kΩ电阻，如图4所示。这将产生1.05 V基准电压，然后由ADA4096-2缓冲。 缓冲器的输出驱动AD7793 和 AD8420的基准电压源。该电路是比率式，因此，5 kΩ电阻上的电压变化（由 AD7793产生的210 μA激励电流的5%容差导致）所引起的误差非常小。该缓冲基准电压还驱动放大器以设置桥式传感器的电压驱动（参见图2）。

ADC通道1配置： 桥式传感器

AD7793 的通道1测量AD8420. 外部V_REF (1.05 V)用作基准电压，因此，AD7793的输入电压范围是±1.05 V，以+1.05 V共模电压为中心。

ADC通道2配置： 温度传感器

AD7793的第二通道监控电阻温度检测器(RTD)上产生的电压，该RTD由210 μA激励电流驱动，如图5所示。

尽管100 Ω铂RTD十分常见，但也可指定其他电阻（200 Ω、500 Ω、1000 Ω等）和材料（镍、铜、镍铁）。 本应用采用100 Ω DIN 43,760 A类RTD。

图5所示的4线（开尔文）连接可消除RTD引脚电阻效应。 注意：利用链路P3和链路P4，也可以使用2线、3线或4线配置，如表2所示。

如果不需要温度补偿，可利用链路P9旁路RTD。

输出编码

任一通道上输入电压的输出代码为：

其中：

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – V_REF

Gain为PGA增益设置，N = 24。

电源电压要求

为使电路正常工作，电源电压V_CC必须大于6 V，以便为桥式传感器提供最低5 V驱动。

系统校准

有多种方法可执行压力传感器温度校准。 本应用采用四点校准程序。 Silicon Microstructures, Inc.（位于美国加利福尼亚州苗必达市）的AN13-01（恒定电压下MEMS压力传感器的主动温度补偿和校准）为校准程序提供了很好的参考。

测试数据与结果

系统噪声

全部数据捕获操作都通过 CN-0355评估软件 实现。

为捕获评估板噪声，进行了两次设置测量。 第一次测量如图6所示，在AD8420 输入短路的条件下进行，因而测量的是AD8420 和 AD7793的峰峰值噪声。进行了1000次采样，获得的代码分布约有100个代码，相当于12.5 μV的峰峰值噪声；或者对于2.1 V的满量程范围，相当于17.36个无噪声位。

第二次测量是利用Honeywell NSCSANN600MGUNV压力计传感器进行，它连接到评估板。 板上安装的该压力传感器未经放大和补偿，电压驱动器设置为10.1 V。此测试有效展示了整个系统产生的噪声，包括传感器噪声，如图7所示。进行了1000次采样，获得的代码分布约有120个代码，相当于15 μV的峰峰值噪声；或者对于2.1 V的满量程范围，相当于17.1个无噪声位。

系统功耗

表3显示了系统的总功耗，不包括压力传感器的功耗。

Honeywell NSCSANN600MGUNV压力传感器具有大约3 kΩ的阻抗，会使表3所示的总功耗增加大约3.36 mA。

用更低的电流（如10 μA）驱动RTD，同时采用更高的RTD电阻值（如1 kΩ），可进一步降低系统的功耗。

有源元件的误差分析

系统中的有源元件AD8420 和ADA4096-2引起的最大误差及和方根(RSS)误差如表4所示。

总电路精度

对电阻容差导致的总误差的合理近似推算是假设每个关键电阻对总误差贡献都相等。 两个关键电阻是R8和R19、R20、R21中的任一个。 0.1%的最差情况下电阻容差可造成最大值0.2%的总电阻误差。 若假定RSS误差，则总RSS误差为0.1√2 = 0.14%。

电阻误差与表4给出的元件误差相加得到以下结果：

• 失调误差 = 0.365% + 0.1400% = 0.505%
• 增益误差 = 0.050% + 0.1400% = 0.190%
• 满量程误差 = 0.415% + 0.1400% = 0.555%

这些误差使用以下假设：选用计算得到的电阻值，容差是仅有的误差，传感器的电压驱动设置为10.1的增益。 线性度误差是在−500 mV到+500 mV的输入范围测试，采用图10所示的设置。总非线性误差约为0.45%。 非线性主要由AD8420的输入跨导(gm)级引起。

总输出误差(%FSR)通过将实测输出电压与理想输出电压之差除以输出电压的FSR，然后乘以100得出。计算结果如图8所示。

图9显示EVAL-CN0355-PMDZ 评估板的实物照片。 该系统的完整文档位于CN-0355 Design 设计支持包中。