電子工程師設(shè)計(jì)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(jì)工作中，精確測(cè)量溫度是一項(xiàng)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(jì)、耐用和響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多溫度測(cè)量場(chǎng)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(hào)處理提供了強(qiáng)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(zhǔn)與兼容性

AD594針對(duì)J型（鐵 - 康銅）熱電偶進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，AD595則針對(duì)K型（鉻鋁合金）熱電偶預(yù)校準(zhǔn)。同時(shí)，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(hào)，方便后續(xù)電路處理。

3. 內(nèi)置冷端補(bǔ)償

內(nèi)置冰點(diǎn)補(bǔ)償功能，有效解決了熱電偶冷端溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)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(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

5. 熱電偶故障報(bào)警

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

6. 高精度校準(zhǔn)

通過(guò)激光晶圓微調(diào)，校準(zhǔn)精度可達(dá)1°C，確保了測(cè)量的高精度。

7. 多種工作模式

支持設(shè)定點(diǎn)模式操作和獨(dú)立的攝氏溫度計(jì)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(hào)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(xì)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(bǔ)償器。它將冰點(diǎn)參考與預(yù)校準(zhǔn)放大器相結(jié)合，能夠直接從熱電偶信號(hào)產(chǎn)生高電平（10 mV/°C）輸出。通過(guò)引腳連接選項(xiàng)，它既可以作為線性放大器 - 補(bǔ)償器使用，也可以作為開關(guān)輸出設(shè)定點(diǎn)控制器，支持固定或遠(yuǎn)程設(shè)定點(diǎn)控制。此外，它還能直接放大補(bǔ)償電壓，將其轉(zhuǎn)換為具有低阻抗電壓輸出的獨(dú)立攝氏溫度傳感器。

該芯片還包含熱電偶故障報(bào)警功能，當(dāng)熱電偶線路出現(xiàn)開路時(shí)，報(bào)警輸出具有靈活的格式，包括TTL驅(qū)動(dòng)能力。它可以由單端電源（包括 +5 V）供電，通過(guò)增加負(fù)電源，還能測(cè)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(yùn)行，同時(shí)還能夠向負(fù)載提供超過(guò) ±5 mA的電流。

AD594通過(guò)激光晶圓微調(diào)預(yù)校準(zhǔn)，以匹配J型熱電偶的特性；AD595則針對(duì)K型輸入進(jìn)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(guò)添加兩到三個(gè)電阻，可對(duì)電路進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以適應(yīng)不同類型的熱電偶。此外，這些引腳還允許對(duì)熱電偶和溫度計(jì)應(yīng)用進(jìn)行更精確的校準(zhǔn)。

AD594/AD595有兩種性能等級(jí)，C版本和A版本的校準(zhǔn)精度分別為 ±1°C和 ±3°C。它們的設(shè)計(jì)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(duì)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(bào)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(cè)量

在0°C至 +50°C的指定溫度范圍內(nèi)，校準(zhǔn)誤差、穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系、增益誤差、標(biāo)稱傳遞函數(shù)等參數(shù)都有明確規(guī)定，保證了溫度測(cè)量的準(zhǔn)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(bào)警特性

包括VCE(SAT)、泄漏電流、工作電壓、短路電流等，確保報(bào)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(jìn)行電源設(shè)計(jì)。

四、輸出電壓解讀

為了實(shí)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(zhǔn)確補(bǔ)償參考結(jié)，AD594/AD595在25°C時(shí)進(jìn)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(duì)補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行線性放大，因此需要使用特定的傳遞函數(shù)來(lái)確定實(shí)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè) +5 V電源，按照?qǐng)D1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(cè)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(hào)公共端相連。熱電偶線輸入直接從測(cè)量點(diǎn)或通過(guò)類似熱電偶線類型的中間連接連接到引腳1和14。當(dāng)不使用引腳13的報(bào)警輸出時(shí)，應(yīng)將其連接到公共端或 - V。預(yù)校準(zhǔn)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(biāo)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(cè)量負(fù)溫度和擴(kuò)展正溫度的熱電偶接口。負(fù)電源可使輸出指示負(fù)溫度，并驅(qū)動(dòng)接地負(fù)載或返回正電壓的負(fù)載。將正電源從5 V增加到15 V，可將輸出電壓范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)超過(guò)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(yuǎn)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(gè)電阻，以確保熱電偶回路中感應(yīng)的共模電壓不會(huì)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(bǔ)償有效。圖3所示的印刷電路板連接布局提供了一種實(shí)現(xiàn)熱平衡的方法，AD594/AD595封裝溫度和電路板通過(guò)引腳1和14下方的銅印刷電路板軌道進(jìn)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(bào)警負(fù)載電阻、重新校準(zhǔn)電阻和補(bǔ)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(gè)差分放大器，其輸出相加后用于控制一個(gè)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(dòng)輸入級(jí)（引腳1和14）的熱電偶信號(hào)先由差分放大器的增益G放大，然后在主放大器中進(jìn)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(gè)差分級(jí)，反饋信號(hào)由該級(jí)放大，并通過(guò)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(dòng)以將差值信號(hào)減小到較小值。兩個(gè)差分放大器匹配且具有相同的增益G，因此當(dāng)差值信號(hào)減小到零時(shí)，應(yīng)用到右側(cè)差分放大器的反饋信號(hào)將精確匹配熱電偶輸入信號(hào)。反饋網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)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(lì)電壓。

2. 冷端補(bǔ)償

除了反饋信號(hào)外，冷端補(bǔ)償電壓應(yīng)用到右側(cè)差分放大器。補(bǔ)償是與AD594/AD595的攝氏溫度成比例的差分電壓，該信號(hào)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(bǔ)償通過(guò)增益縮放電阻應(yīng)用，使其對(duì)主輸出的影響也為10 mV/°C。因此，補(bǔ)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(hào)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(duì)應(yīng)于從參考冰浴的熱電偶信號(hào)放大獲得的讀數(shù)。

3. 輸入開路檢測(cè)

AD594/AD595還包括一個(gè)輸入開路檢測(cè)器，用于切換報(bào)警晶體管。該晶體管實(shí)際上是一個(gè)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(bào)警的上拉或下拉操作。

4. 冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有正溫度系數(shù)和負(fù)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(diǎn)補(bǔ)償并重新校準(zhǔn)AD594/AD595。

5. 反饋電阻

反饋電阻單獨(dú)引出引腳，其值可通過(guò)串聯(lián)電阻進(jìn)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(diǎn)操作的開關(guān)模式下工作。

八、重新校準(zhǔn)原則與限制

1. 冰點(diǎn)補(bǔ)償調(diào)整

AD594/AD595的冰點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)，該信號(hào)在0°C時(shí)為零，并對(duì)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^(guò)從 +T到COM連接電阻來(lái)減小該信號(hào)，或通過(guò)從 +T到 +C處較大的正溫度系數(shù)電壓連接上拉電阻來(lái)增加該信號(hào)。注意，對(duì) +T的調(diào)整應(yīng)通過(guò)測(cè)量跟蹤它的 - T處的電壓來(lái)進(jìn)行。為避免使反饋放大器不穩(wěn)定，測(cè)量?jī)x器應(yīng)通過(guò)與連接到 - T的引線串聯(lián)的幾千歐姆電阻進(jìn)行隔離。

2. 零點(diǎn)調(diào)整

改變補(bǔ)償方案差分輸出的正溫度系數(shù)部分會(huì)使零點(diǎn)偏離0°C?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整流入反饋放大器負(fù)輸入（ - T引腳）的電流來(lái)恢復(fù)零點(diǎn)。可以使用 - C和 - T之間的電阻來(lái)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(lái)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(duì)補(bǔ)償進(jìn)行大幅調(diào)整，其對(duì)最終輸出電壓的影響將成比例增加或減小。為將標(biāo)稱輸出恢復(fù)到10 mV/°C，可調(diào)整增益以匹配新的補(bǔ)償和熱電偶輸入特性。當(dāng)減小補(bǔ)償時(shí)， - T和COM之間的電阻會(huì)自動(dòng)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(biāo)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(zhǔn)注意事項(xiàng)

精細(xì)校準(zhǔn)調(diào)整需要對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行溫度響應(yīng)測(cè)量，以確保準(zhǔn)確性。對(duì)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(zhǔn)作為參考進(jìn)行操作，就可以在不嚴(yán)重影響初始校準(zhǔn)精度的情況下實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，中間重新校準(zhǔn)條件可能需要使用負(fù)電源。

九、E型熱電偶重新校準(zhǔn)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(zhǔn)。在保持設(shè)備溫度恒定的情況下，按照以下步驟進(jìn)行重新校準(zhǔn)：

1. 測(cè)量設(shè)備溫度

將兩個(gè)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(shí)AD594處于獨(dú)立攝氏溫度計(jì)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(yàn)證其是否對(duì)應(yīng)于設(shè)備溫度。

2. 調(diào)整補(bǔ)償

使用高阻抗數(shù)字電壓表測(cè)量引腳5處的 - T電壓，在24°C時(shí)， - T電壓約為8.3 mV。為將AD594的補(bǔ)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(gè)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(cè)量的 - T電壓乘以r，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)

將原始輸出電壓VO乘以r，并通過(guò)在 - C和 - T（引腳5和6）之間實(shí)驗(yàn)添加電阻R2來(lái)調(diào)整測(cè)量的輸出電壓到該值。在這種情況下，目標(biāo)輸出值應(yīng)為約283 mV，R2的電阻值約為240 kΩ。

4. 重新校準(zhǔn)增益

在FB和 - T（引腳8和5）之間添加第三個(gè)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(duì)于AD595進(jìn)行類似的重新校準(zhǔn)程序時(shí)，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(shí)，功耗將增加約50%。在整個(gè)重新校準(zhǔn)過(guò)程中，保持AD594/AD595溫度穩(wěn)定至關(guān)重要，因?yàn)樗米鳒囟葏⒖肌Ｅc手指或非環(huán)境溫度的工具接觸會(huì)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(dòng)勢(shì)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(shí)，AD595的輸出校準(zhǔn)誤差不超過(guò)0.2°C。誤差是由于冰點(diǎn)補(bǔ)償器在25°C時(shí)針對(duì)K型特性進(jìn)行了微調(diào)。要計(jì)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(yè)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(biāo)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(bǔ)償將保持準(zhǔn)確。

十一、溫度穩(wěn)定性

每個(gè)AD594/AD595在測(cè)量熱電偶為0°C時(shí)進(jìn)行溫度誤差測(cè)試。冷端補(bǔ)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(jì)。例如，在靜止空氣中，芯片到環(huán)境的熱阻約為80°C/瓦（對(duì)于D封裝）。在標(biāo)稱功耗為800 μW時(shí)，自由空氣中的自熱小于0.065°C。浸沒(méi)在氟碳液體（未攪拌）中時(shí)，熱阻約為40°C/瓦，自熱誤差約為0.032°C。

十三、設(shè)定點(diǎn)控制器

AD594/AD595可以很容易地連接為設(shè)定點(diǎn)控制器（如圖9所示）。熱電偶用于感測(cè)未知溫度，并向AD594/AD595的輸入提供熱電動(dòng)勢(shì)。信號(hào)經(jīng)過(guò)冷端補(bǔ)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(diǎn)電壓進(jìn)行比較。表I列出了設(shè)定點(diǎn)電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，考慮了測(cè)量熱電偶的非線性。如果設(shè)定點(diǎn)溫度范圍在AD594/AD595的工作范圍（ - 55°C至 +125°C）內(nèi)，可以通過(guò)將輸入短路并利用10 mV/°C的標(biāo)稱校準(zhǔn)，將芯片用作電路的傳感器。這是圖13所示的攝氏溫度計(jì)配置。

在操作中，如果設(shè)定點(diǎn)電壓高于對(duì)應(yīng)于測(cè)量溫度的電壓，輸出將擺動(dòng)到接近零伏；反之，當(dāng)溫度高于設(shè)定點(diǎn)電壓時(shí)，輸出將切換到約4