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高精密电流放大器ADI AD8428设计到实践的全程手搓

Excelpoint世健 2023-12-11 17:40 次阅读

本次与大家分享的是世健和ADI联合举办的《世健·ADI工业趴:放飞思路,解封你的超能力》主题活动的三等奖文章:《高精密电流放大器ADI AD8428设计到实践的全程手搓》

作者:北方

01

概述

这个设计是要完成一个类似心电记录仪的心跳电压捕捉电路,并验证电容器选型对这个电路的影响。根据微压级别的信号,至少需要24位的采集精度,或者通常是两级运放来提高采样电压。两级放大可以保证放大倍数,但是滤波和抗干扰的电路设计就复杂了。所以能选择一款高精度仪表放大器直接解决问题是最好不过。

ADI AD8424是一款高精度电流放大器,虽然说国产替代一直在进行中,但是作为模拟芯片的设计和生产却很需要时间积累和经验验证。而ADI的模拟毫无疑问是模拟芯片的第一阵列。

本帖是全程手搓的,而ADI也提供了这样的条件,从芯片选型到模拟设计软件,极大降低了开发者的技术难度,提高了效率,保证了质量。小插一个无关设计的小观点,其实,国产替代也是个循序渐进的过程,世界还是挺大的,合作共赢、共同达成商业目标才是持久之路。ADI技术领先,保证供应,价格合理,是非常值得选择的。

这个是最后的电路设计图。

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PCB电路设计图如下:

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02

模拟设计

使用ADI的辅助工具进行AD8428 Instrumentation Amplifier模拟设计。

使用ADIsim软件

模拟设计软件先不说好用不好用,首先是非常好玩的。ADIsim是一个非常友好的模拟工具,易于使用,而且还是免费的。AD8428在做设计的时候还是一款新品,所以没有在这个设计库里,需要先下载SPICE文件然后倒入。SPICE文件是TXT格式的,可以直接自定义编辑功能和设置,当然,首先要真正了解并熟悉这款新品才行。

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使用ADIsim的设计图,

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进行功能模拟的结果。虽然基本功能有效,但是还不大理想,所以后来就弃坑了,因为有更好的替身。

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LTspice

LTspice是Linear的头牌,中文是凌特,已经被ADI并购了,大家看到LT起头的ADI产品,实际上源自Linear,而LTspice就是对标ADIsim并超越ADIsim的顶流。深切怀疑,Linear被并购的原因就是因为胸怀利刃LTspice,而招致“失身之祸”。相比AD打头的产品,大家都知道LT打头的都主打一个性价比,其实也是很能打的,当初被并购也是花了大价钱的,应该更是两情相悦的结果。因为,这样对LTspice来说,ADI也是官方全系列支持的。当然,现在还是需要导入spice的。

原理图的设计

AD8428是根据ADI样片申请获得的,但是流程老复杂了,独苗一个,型号AD8428ARZ,这个东东是好东西,值得垂涎一下。

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放大器下看看丝印。

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因为全程有手册,提供了官方的设计参考图。这个原理图看似极简设计,其实各种共模和差模参数极其强悍,因为专门为这个出了包括《你好放大器》这样的神作,就不搞文字搬运了,这里省掉n千字。

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转换成适合模拟运行的电路设计,这里需要增加互补的电压源作为输入信号,在LTspice中,这个参数可以完美修改,甚至可以编程成为特定波形,如方波,三角波,正弦波,你想你就可以拥有。

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执行暂态模拟的结果如下,对应于一个1.8毫秒的脉冲,就这个样子。

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这个原理图还可以导出BOM元件表,

5c715d5c-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

这些元件的参数都可以任意调整和变化,反复多种测试,选择最合适的匹配参数。

其中电容器的变化和适配对性能的影响最大。其中影响最大的就是ESR,对于平波,滤波和去耦都有极大的好处。通常意义的电容等效电路如下:

5c83ed50-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

对不同的输入频率,ESR和等效阻抗Z的频率相应如下,在特征频率下取得最优数值。

5c8adc00-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

2.2.3 不断更换上面的电容值,

C5, C7 =10uF

C2 ,C3 =4.7uF ,

C1 =4.7uF , 大约为C2和C3的10倍

C4,C6 =0.1uF MLCC

稳态模拟结果如下。

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对应于电容的参数都是可以随时调整的,如调整C5的ESR值,更换为最终选择电容的参数0.06欧。

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其他模拟如暂态模拟,交流摇摆模拟等都可以一键完成,下面是一部分游戏过程的截图。

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这个可比当年在面包板上插积木好玩多了,也可以重新理解当时老师讲的一些规律性的东西。唯一欠缺的就是实地炸电容,烧电阻的快乐烧烤场景。

03

打板和设计

这时候设计,用的是https://easyeda.com/ ,这个也最后易帜了,不过现在的国内的名字就是力创eda,海外版的还是没有变化。电路原理设计如下。

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生产PCB。

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偷懒的自动布线。

5d062ea0-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

3D演示。

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当然,这个是不可以的,还是要重新布局和选择BOM,选择合适的电容。

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这才是最终版。

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和最终的PCB。

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输出BOM。

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打印一下。

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04

手搓PCB

这个PCB有些过于简单,就下单了手搓6件套,包括紫外光刻,这个手搓的光刻精度是毫米级的,做独立二极管戳戳有余,但是搞5G芯片,可能还是要一些时间沉淀吧。

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最后继续降低,连光刻的不想用了,双面板纯手搓了,刻刀,油性笔,使用环保蚀刻剂硫氧化纳,Na2S2O8+Cu=Na2SO4+CuSO4。

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真实手搓图,这个是把PCB设计打印在白纸上,然后刻刀刻线,然后用油性笔透描的,所以有焊盘和断线的地方,不过,没关系,有些手抖也没关系,连直尺都木有用,直接拿出小学的绘画压箱功底,背面全黑没有问题吧。

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这边搞双色的。

5e14c054-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

溶解蚀刻剂,大概等10分钟吧。

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看起来不太行。

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那就继续,直到变成浅蓝色,到最后。

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完工。

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最后,除掉油性笔痕,通常用能脱油的洗洁精就可以。

5e68baa6-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

当然,大力出奇迹,用砂纸也是可以的。

5e8c8562-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

手工焊,难度基本为零,美观程度,也基本为零。

5eac0036-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png5eb413fc-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

需要补充一下,经此一役,鉴于心理阴影面积过大,宁可付费打板也不再手搓了。

05

使用Arduino开发板读数

选用Arduino MKR 1000 读取ADC参数,因为AD8428已经放大到可以读取的精度了,所以其实是第二级放大器是由12位精度的ADC来实现的,这个是多数MCU可以轻松搞定的,最多可以读取4096的数据,进行0~3.3V的数据对应转换。

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参考代码如下。

5ede534c-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

使用两个9V电池提供差分电压供电,这样输入端可以连接到心电贴片读数。

5ee5ba38-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png5efc9406-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

使用串口猎人115200-N-8-1.读取读数,改变采用周期,这里是选择了1kHz,这个数据可以导出为txt文件,进行更进一步处理。

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06

AD8428的原理和配置

AD8428内部的逻辑图如下,可以有3种放大配置模式。

5f1e4754-9809-11ee-9788-92fbcf53809c.png

其中差模输入模式如下图,放大倍数计算公式如下,可以看出,更改CD 和CC的数据就可以自行选择放大倍数。

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这个帖子主要是介绍了如何利用工具完成一款ADI放大器的设计到打板的过程。更多的技术细节和原理在ADI的各种开放资料都可以获得,相比这个芯片的高性能,手搓虽然可以完成任务,但效果其实还是没有完全发挥出来的。所以,后来也就不这么搞了,但是使用LTspice的过程却从此上了瘾,有原理图都想导入spice模拟一下。

免责声明:本文仅代表作者个人观点,与主办方ADI、Excelpoint世健以及EEworld无关。

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