電子工程師設(shè)計秘籍：AD594/AD595單芯片熱電偶放大器解析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，精確測量溫度是一項常見且關(guān)鍵的任務(wù)。熱電偶作為一種廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，以其經(jīng)濟、耐用和響應(yīng)快速等優(yōu)點，成為眾多溫度測量場景的首選。而AD594/AD595單芯片熱電偶放大器，更是為熱電偶的信號處理提供了強大而便捷的解決方案。

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一、AD594/AD595的產(chǎn)品特性

1. 預(yù)校準與兼容性

AD594針對J型（鐵 - 康銅）熱電偶進行預(yù)校準，AD595則針對K型（鉻鋁合金）熱電偶預(yù)校準。同時，它們也能與T型熱電偶配合使用，大大拓展了其應(yīng)用范圍。

2. 低阻抗電壓輸出

具備10 mV/°C的低阻抗電壓輸出，能夠直接輸出與溫度成比例的電壓信號，方便后續(xù)電路處理。

3. 內(nèi)置冷端補償

內(nèi)置冰點補償功能，有效解決了熱電偶冷端溫度變化對測量結(jié)果的影響，提高了測量的準確性。

4. 寬電源范圍與低功耗

電源范圍為 +5 V至15 V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。典型功耗小于1 mW，在低功耗應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。

5. 熱電偶故障報警

設(shè)有熱電偶故障報警功能，當熱電偶線路出現(xiàn)開路等故障時，能夠及時發(fā)出警報，保障系統(tǒng)的可靠性。

6. 高精度校準

通過激光晶圓微調(diào)，校準精度可達1°C，確保了測量的高精度。

7. 多種工作模式

支持設(shè)定點模式操作和獨立的攝氏溫度計操作，滿足不同的應(yīng)用需求。

8. 高阻抗差分輸入

高阻抗差分輸入能夠有效抑制熱電偶線路上的共模噪聲電壓，提高信號質(zhì)量。

9. 多種封裝形式

提供側(cè)焊雙列直插封裝（DIP）和低成本陶瓷雙列直插封裝（Cerdip），方便不同的電路板布局和安裝需求。

二、產(chǎn)品詳細描述

AD594/AD595是一款集成在單芯片上的完整儀表放大器和熱電偶冷端補償器。它將冰點參考與預(yù)校準放大器相結(jié)合，能夠直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平（10 mV/°C）輸出。通過引腳連接選項，它既可以作為線性放大器 - 補償器使用，也可以作為開關(guān)輸出設(shè)定點控制器，支持固定或遠程設(shè)定點控制。此外，它還能直接放大補償電壓，將其轉(zhuǎn)換為具有低阻抗電壓輸出的獨立攝氏溫度傳感器。

該芯片還包含熱電偶故障報警功能，當熱電偶線路出現(xiàn)開路時，報警輸出具有靈活的格式，包括TTL驅(qū)動能力。它可以由單端電源（包括 +5 V）供電，通過增加負電源，還能測量低于0°C的溫度。為了減少自熱效應(yīng)，空載的AD594/AD595通常以160 μA的總電源電流運行，同時還能夠向負載提供超過 ±5 mA的電流。

AD594通過激光晶圓微調(diào)預(yù)校準，以匹配J型熱電偶的特性；AD595則針對K型輸入進行激光微調(diào)。溫度傳感器電壓和增益控制電阻可從封裝引腳獲取，通過添加兩到三個電阻，可對電路進行重新校準，以適應(yīng)不同類型的熱電偶。此外，這些引腳還允許對熱電偶和溫度計應(yīng)用進行更精確的校準。

AD594/AD595有兩種性能等級，C版本和A版本的校準精度分別為 ±1°C和 ±3°C。它們的設(shè)計工作溫度范圍為0°C至 +50°C，提供14引腳、密封、側(cè)焊陶瓷雙列直插封裝以及低成本陶瓷雙列直插封裝。

三、技術(shù)規(guī)格

1. 絕對最大額定值

包括電源電壓范圍、共模輸入電壓、差分輸入電壓、報警電壓等參數(shù)，確保芯片在安全的電壓范圍內(nèi)工作。

2. 溫度測量

在0°C至 +50°C的指定溫度范圍內(nèi)，校準誤差、穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系、增益誤差、標稱傳遞函數(shù)等參數(shù)都有明確規(guī)定，保證了溫度測量的準確性和穩(wěn)定性。

3. 放大器特性

如閉環(huán)增益、輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、差分輸入范圍、共模范圍、共模靈敏度、電源靈敏度、輸出電壓范圍、可用輸出電流、3 dB帶寬等，這些參數(shù)決定了放大器的性能和適用范圍。

4. 報警特性

包括VCE(SAT)、泄漏電流、工作電壓、短路電流等，確保報警功能的可靠性。

5. 電源要求

規(guī)定了指定性能下的電源電壓和工作電源電壓范圍，以及靜態(tài)電流等參數(shù)，方便工程師進行電源設(shè)計。

四、輸出電壓解讀

為了實現(xiàn)10 mV/°C的溫度比例輸出，并在電路的額定工作范圍內(nèi)準確補償參考結(jié)，AD594/AD595在25°C時進行增益微調(diào)，以匹配J型和K型熱電偶的傳遞特性。由于熱電偶輸出電壓與溫度呈非線性關(guān)系，而AD594/AD595對補償信號進行線性放大，因此需要使用特定的傳遞函數(shù)來確定實際輸出電壓。

文中還給出了理想的AD594/AD595輸出電壓與攝氏溫度的關(guān)系表，方便工程師進行參考。需要注意的是，由于ANSI型J和DIN FE - CUNI熱電偶的合金成分略有差異，該表不適用于歐洲標準熱電偶，應(yīng)使用前面給出的傳遞函數(shù)和DIN熱電偶表。

五、電源連接方式

1. 單電源連接

使用單個 +5 V電源，按照圖1所示的互連方式，可直接從J型（AD594）或K型（AD595）熱電偶獲得0°C至 +300°C的測量輸出。任何 +5 V至 +30 V的電源電壓都可使用，較低的電源電平可將自熱誤差降至最低。在單電源配置中，+5 V電源連接到引腳11，V - 連接在引腳7與引腳4的電源和信號公共端相連。熱電偶線輸入直接從測量點或通過類似熱電偶線類型的中間連接連接到引腳1和14。當不使用引腳13的報警輸出時，應(yīng)將其連接到公共端或 - V。預(yù)校準的反饋網(wǎng)絡(luò)在引腳8連接到引腳9的輸出，以提供10 mV/°C的標稱溫度傳遞特性。

2. 雙電源連接

使用更寬范圍的雙電源（如圖2所示），AD594/AD595可與測量負溫度和擴展正溫度的熱電偶接口。負電源可使輸出指示負溫度，并驅(qū)動接地負載或返回正電壓的負載。將正電源從5 V增加到15 V，可將輸出電壓范圍擴展到遠超過J型熱電偶（AD594）推薦的750°C溫度限制和K型熱電偶（AD595）的1250°C溫度限制。熱電偶輸入上的共模電壓必須保持在AD594/AD595的共模范圍內(nèi)，并為偏置電流提供返回路徑。如果熱電偶未遠程接地，建議采用圖1和圖2中的虛線連接，可能需要在該連接中添加一個電阻，以確保熱電偶回路中感應(yīng)的共模電壓不會轉(zhuǎn)換為正常模式。

六、熱電偶連接

熱電偶線的等溫終端連接形成有效的參考結(jié)，該結(jié)必須與AD594/AD595保持相同的溫度，以確保內(nèi)部冷端補償有效。圖3所示的印刷電路板連接布局提供了一種實現(xiàn)熱平衡的方法，AD594/AD595封裝溫度和電路板通過引腳1和14下方的銅印刷電路板軌道進行熱接觸。參考結(jié)由銅 - 康銅（或銅 - 鋁鎂合金）連接和銅 - 鐵（或銅 - 鉻合金）連接組成，兩者與AD594/AD595溫度相同。該印刷電路板布局還提供了放置可選報警負載電阻、重新校準電阻和補償電容以限制帶寬的位置。為確保牢固連接，在焊接前應(yīng)清潔熱電偶線以去除氧化層，使用非腐蝕性松香助焊劑與鐵、康銅、鉻合金和鋁鎂合金以及特定的焊料（如95%錫 - 5%銻、95%錫 - 5%銀或90%錫 - 10%鉛）配合使用。

七、功能描述

1. 放大器工作原理

AD594的工作方式類似于兩個差分放大器，其輸出相加后用于控制一個高增益放大器。在正常操作中，主放大器輸出（引腳9）連接到反饋網(wǎng)絡(luò)（引腳8）。施加到浮動輸入級（引腳1和14）的熱電偶信號先由差分放大器的增益G放大，然后在主放大器中進一步由增益A放大。主放大器的輸出以反相連接反饋到第二個差分級，反饋信號由該級放大，并通過求和電路應(yīng)用到主放大器輸入。由于反相作用，放大器使反饋驅(qū)動以將差值信號減小到較小值。兩個差分放大器匹配且具有相同的增益G，因此當差值信號減小到零時，應(yīng)用到右側(cè)差分放大器的反饋信號將精確匹配熱電偶輸入信號。反饋網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過微調(diào)，使得引腳8和9的輸出有效增益產(chǎn)生10 mV/°C的熱電偶激勵電壓。

2. 冷端補償

除了反饋信號外，冷端補償電壓應(yīng)用到右側(cè)差分放大器。補償是與AD594/AD595的攝氏溫度成比例的差分電壓，該信號干擾差分輸入，使放大器輸出必須調(diào)整以恢復(fù)輸入等于施加的熱電偶電壓。補償通過增益縮放電阻應(yīng)用，使其對主輸出的影響也為10 mV/°C。因此，補償電壓將與0°C和AD594/AD595溫度之間的差值直接成比例的信號添加到熱電偶電壓的影響中。如果熱電偶參考結(jié)保持在AD594/AD595溫度，AD594/AD595的輸出將對應(yīng)于從參考冰浴的熱電偶信號放大獲得的讀數(shù)。

3. 輸入開路檢測

AD594/AD595還包括一個輸入開路檢測器，用于切換報警晶體管。該晶體管實際上是一個電流限制輸出緩沖器，但可在一定限制內(nèi)用作開關(guān)晶體管，用于外部報警的上拉或下拉操作。

4. 冰點補償網(wǎng)絡(luò)

冰點補償網(wǎng)絡(luò)具有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的可用電壓，這些電壓可與外部電阻一起使用，以修改冰點補償并重新校準AD594/AD595。

5. 反饋電阻

反饋電阻單獨引出引腳，其值可通過串聯(lián)電阻進行填充，或用引腳5和9之間的外部電阻替換。反饋電阻的外部可用性允許調(diào)整增益，還允許AD594/AD595在設(shè)定點操作的開關(guān)模式下工作。

八、重新校準原則與限制

1. 冰點補償調(diào)整

AD594/AD595的冰點補償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個差分信號，該信號在0°C時為零，并對應(yīng)于芯片溫度下參考冰浴的熱電偶輸出。電路的正溫度系數(shù)輸出與開爾文溫度成比例，并在 +T處顯示為電壓?？梢酝ㄟ^從 +T到COM連接電阻來減小該信號，或通過從 +T到 +C處較大的正溫度系數(shù)電壓連接上拉電阻來增加該信號。注意，對 +T的調(diào)整應(yīng)通過測量跟蹤它的 - T處的電壓來進行。為避免使反饋放大器不穩(wěn)定，測量儀器應(yīng)通過與連接到 - T的引線串聯(lián)的幾千歐姆電阻進行隔離。

2. 零點調(diào)整

改變補償方案差分輸出的正溫度系數(shù)部分會使零點偏離0°C?？梢酝ㄟ^調(diào)整流入反饋放大器負輸入（ - T引腳）的電流來恢復(fù)零點。可以使用 - C和 - T之間的電阻來產(chǎn)生流入該端子的電流，以平衡 +T的增加，或使用 - T到COM的電阻來抵消 +T的減小。

3. 增益調(diào)整

如果為適應(yīng)不同類型的熱電偶而對補償進行大幅調(diào)整，其對最終輸出電壓的影響將成比例增加或減小。為將標稱輸出恢復(fù)到10 mV/°C，可調(diào)整增益以匹配新的補償和熱電偶輸入特性。當減小補償時， - T和COM之間的電阻會自動將增益增加到正確值的0.5%以內(nèi)。如果需要更小的增益，可以將標稱47 kΩ的內(nèi)部反饋電阻與外部電阻并聯(lián)或替換。

4. 校準注意事項

精細校準調(diào)整需要對單個設(shè)備進行溫度響應(yīng)測量，以確保準確性。對于其他熱電偶類型的重大重新配置，只要在固定溫度下使用工廠校準作為參考進行操作，就可以在不嚴重影響初始校準精度的情況下實現(xiàn)。需要注意的是，中間重新校準條件可能需要使用負電源。

九、E型熱電偶重新校準示例

AD594和AD595都可以配置為處理E型（鉻 - 康銅）熱電偶的輸出。由于E型熱電偶的溫度特性與J型更接近，因此AD594更適合重新校準。在保持設(shè)備溫度恒定的情況下，按照以下步驟進行重新校準：

1. 測量設(shè)備溫度

將兩個輸入連接到公共端（或選定的共模電位），并將FB連接到VO，此時AD594處于獨立攝氏溫度計模式。假設(shè)環(huán)境溫度為24°C，初始輸出VO為240 mV，檢查VO處的輸出以驗證其是否對應(yīng)于設(shè)備溫度。

2. 調(diào)整補償

使用高阻抗數(shù)字電壓表測量引腳5處的 - T電壓，在24°C時， - T電壓約為8.3 mV。為將AD594的補償調(diào)整為E型熱電偶，應(yīng)在 +T和 +C（引腳2和3）之間連接一個電阻R1，以將 - T處的電壓提高到熱電偶靈敏度的比例。將J型設(shè)備轉(zhuǎn)換為E型特性的比例為： [r(AD594) = (60.9 mu V/°C) / (51.7 mu V/°C) = 1.18] 將初始測量的 - T電壓乘以r，并通過實驗確定將 - T提高到該水平所需的R1值。在本例中，新的 - T電壓應(yīng)為約9.8 mV，電阻值約為1.8 kΩ。

3. 調(diào)整零點

將原始輸出電壓VO乘以r，并通過在 - C和 - T（引腳5和6）之間實驗添加電阻R2來調(diào)整測量的輸出電壓到該值。在這種情況下，目標輸出值應(yīng)為約283 mV，R2的電阻值約為240 kΩ。

4. 重新校準增益

在FB和 - T（引腳8和5）之間添加第三個電阻R3，使VO恢復(fù)到初始的240 mV讀數(shù)。R3的電阻值約為280 kΩ。

對于AD595進行類似的重新校準程序時，R1、R2、R3和r的值分別約為650 Ω、84 kΩ、93 kΩ和1.51。使用AD595處理E型輸入時，功耗將增加約50%。在整個重新校準過程中，保持AD594/AD595溫度穩(wěn)定至關(guān)重要，因為它用作溫度參考。與手指或非環(huán)境溫度的工具接觸會迅速產(chǎn)生誤差，還必須防止照明變化或烙鐵靠近產(chǎn)生的輻射熱。

十、使用T型熱電偶

由于K型和T型熱電偶在0°C至 +50°C范圍內(nèi)的熱電動勢相似，AD595可以直接用于這兩種類型的輸入。在該環(huán)境溫度范圍內(nèi)，使用T型輸入時，AD595的輸出校準誤差不超過0.2°C。誤差是由于冰點補償器在25°C時針對K型特性進行了微調(diào)。要計算T型熱電偶在推薦的 - 200°C至 +350°C范圍內(nèi)的AD595輸出值，只需使用參考0°C的ANSI熱電偶電壓和第2頁給出的AD595輸出方程。由于T型熱電偶存在較大的非線性，輸出將與標稱的10 mV/°C有較大偏差，但在額定的0°C至 +50°C環(huán)境溫度范圍內(nèi)，冷端補償將保持準確。

十一、溫度穩(wěn)定性

每個AD594/AD595在測量熱電偶為0°C時進行溫度誤差測試。冷端補償誤差、放大器失調(diào)漂移和增益誤差的綜合影響決定了AD594/AD595輸出在額定環(huán)境溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。圖8顯示了AD594/AD595的漂移誤差包絡(luò)，其斜率單位為°C/°C。

十二、熱環(huán)境影響

AD594/AD595固有的低功耗和封裝的低熱阻使自熱誤差幾乎可以忽略不計。例如，在靜止空氣中，芯片到環(huán)境的熱阻約為80°C/瓦（對于D封裝）。在標稱功耗為800 μW時，自由空氣中的自熱小于0.065°C。浸沒在氟碳液體（未攪拌）中時，熱阻約為40°C/瓦，自熱誤差約為0.032°C。

十三、設(shè)定點控制器

AD594/AD595可以很容易地連接為設(shè)定點控制器（如圖9所示）。熱電偶用于感測未知溫度，并向AD594/AD595的輸入提供熱電動勢。信號經(jīng)過冷端補償，放大到10 mV/°C，并與用戶施加到引腳8反饋的外部設(shè)定點電壓進行比較。表I列出了設(shè)定點電壓與溫度的對應(yīng)關(guān)系，考慮了測量熱電偶的非線性。如果設(shè)定點溫度范圍在AD594/AD595的工作范圍（ - 55°C至 +125°C）內(nèi)，可以通過將輸入短路并利用10 mV/°C的標稱校準，將芯片用作電路的傳感器。這是圖13所示的攝氏溫度計配置。

在操作中，如果設(shè)定點電壓高于對應(yīng)于測量溫度的電壓，輸出將擺動到接近零伏；反之，當溫度高于設(shè)定點電壓時，輸出將切換到約4