¿Por qué la ganancia de mi amplificador de instrumentación no es lineal?

Estoy usando un amplificador de instrumentación AD8226 como preamplificador en un circuito que usa un sensor de oxígeno de celda de combustible micro para medir el contenido de oxígeno en una corriente de gas. El preamplificador está configurado en modo de suministro de un solo extremo, con un suministro de 5 V. Se eligió la resistencia de ganancia para dar una ganancia de ~80.

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Luego, la salida del amplificador de entrada pasa a través de un filtro de paso bajo activo y al ADC de un microcontrolador, pero no creo que esto sea relevante para el problema. Todo lo discutido aquí se hizo con la salida del preamplificador (nodo O2_PRE en el diagrama) flotando y solo conectado a un multímetro.

Al probar este circuito con el sensor, descubrí que la ganancia era agradable y lineal, hasta cierto punto en el que la ganancia se redujo (este punto fue de aproximadamente 20 mV de entrada/1,6 V de salida).

Para eliminar cualquier problema con el sensor, reemplacé el sensor con un divisor de voltaje compuesto por un resistor fijo y un potenciómetro lineal de múltiples vueltas:

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Con la red de resistencias observé el mismo problema (ver más abajo para ver un gráfico de la salida del inamp).

Para eliminar aún más cualquier problema con los circuitos circundantes, conecté directamente al AD8226, usando mi suministro de mesa como VCC. Dando el circuito visto aquí:

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Esto mostró el mismo comportamiento que se ve en este gráfico:

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('placa principal' se refiere a la salida cuando se usa el divisor de voltaje para controlar el circuito original, la ganancia de la 'placa de prueba' es ligeramente menor ya que usé una resistencia de ganancia 630R)

La hoja de datos AD8226 especifica una oscilación de voltaje de salida de 0,1 V a +VS−0,1 V en modo de terminación única. Estoy midiendo la salida en un multímetro de alta calidad (es decir, alta impedancia), aunque observé los mismos resultados cuando agregué una resistencia de carga de 20 K. Repetí los resultados con varios dispositivos AD8226.

¿Alguien puede explicar por qué la ganancia caería por encima de una entrada diferencial de ~ 20 mV dado que parece que me mantengo dentro de los límites de salida?

¿Cuál es el nivel de salida de CC? Además, cuando dice 20 mv de entrada, ¿es una compensación de 20 mv de CC, o una onda cuadrada de +/- 10 mv, o una CA de 20 mv rms?
El punto donde la ganancia cae es en un diferencial de 20 mV CC entre las entradas del amplificador (observando que la entrada negativa está a tierra en mis pruebas de divisor de voltaje). Esto equivale a 1,6 V CC en la salida.

Respuestas (1)

Lo más probable es una violación de voltaje de modo común. Consulte la Figura 15 de la hoja de datos. Desafortunadamente, no le brinda los límites para una sola fuente de alimentación, pero le muestra que los límites de voltaje de salida y modo común van de la mano.

Acciones que pueden solucionar su problema:

  • Utilice una fuente de alimentación dual.
  • Ascensor entradas por encima del suelo.
  • Utilice un ajuste de ganancia más bajo.

EDITAR:

Como señaló Dave Tweed, la hoja de datos tiene información sobre los rangos de voltaje de salida y de modo común para un solo suministro. Consulte la Figura 13 en la página 10 de la hoja de datos (su caso es el área triangular azul). Su entrada de modo común está prácticamente conectada a tierra, por lo que tan pronto como su salida supere los 0,7 V, se excederá el límite y su dispositivo no se comportará como se especifica. Esto sucederá incluso si cambia Vref a 2,5 V: el límite de salida será de 3,2 V para que un voltaje de entrada de modo común de tierra deje de ser válido.

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La figura 13 muestra los límites para suministro único, G=100, Vref=0. Cuando el voltaje de salida supera los 0,7 V, el rango de modo común de entrada ya no incluye tierra.
Sí, divida sus 50K en el lado alto del sensor en 2 25K, uno a cada lado.
La página 20 de la hoja de datos explica con más detalle cómo puede recortar los amplificadores en el interior sin exceder los rangos de entrada o salida. +1
100% correcto Lo pasé por alto al seleccionar la pieza. Afortunadamente, el AD8227 tiene un rendimiento similar pero un rango de salida mucho más amplio en el modo común de 0V. La sugerencia de Scott también funciona muy bien, pero es más difícil de lograr en el diseño final (sin agregar piezas adicionales para sesgar el sensor, lo que significaría volver a girar la PCB).
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