Warum ist die Verstärkung meines Instrumentenverstärkers nicht linear?

Ich verwende einen Instrumentenverstärker AD8226 als Vorverstärker in einer Schaltung, die einen Sauerstoffsensor für Mikrobrennstoffzellen verwendet, um den Sauerstoffgehalt in einem Gasstrom zu messen. Der Vorverstärker ist im Single-Ended-Versorgungsmodus mit einer 5-V-Versorgung konfiguriert. Der Verstärkungswiderstand wurde gewählt, um eine Verstärkung von ~ 80 zu ergeben.

Der Ausgang des Eingangsverstärkers wird dann durch ein aktives Tiefpassfilter und an den ADC eines Mikrocontrollers geleitet, aber ich glaube nicht, dass dies für das Problem relevant ist. Alles, was hier besprochen wurde, wurde mit schwebendem Vorverstärkerausgang (O2_PRE-Knoten im Diagramm) durchgeführt und nur an ein Multimeter angeschlossen.

Beim Testen dieser Schaltung mit dem Sensor stellte ich fest, dass die Verstärkung schön und linear war - bis zu einem bestimmten Punkt, an dem die Verstärkung abfiel (dieser Punkt lag bei etwa 20 mV Eingang / 1,6 V Ausgang).

Um Probleme mit dem Sensor zu vermeiden, habe ich den Sensor durch einen Spannungsteiler ersetzt, der aus einem festen Reisistor und einem linearen Topf mit mehreren Windungen besteht:

Beim Widerstandsnetzwerk habe ich das gleiche Problem beobachtet (siehe weiter unten für eine grafische Darstellung des Inamp-Ausgangs).

Um weitere Probleme mit den umgebenden Schaltkreisen zu vermeiden, habe ich direkt an den AD8226 angeschlossen und meine Bechtop-Versorgung als VCC verwendet. Geben Sie die hier gezeigte Schaltung:

Dies zeigte das gleiche Verhalten wie in dieser Darstellung:

('Mainboard' bezieht sich auf den Ausgang, wenn der Spannungsteiler zum Ansteuern der ursprünglichen Schaltung verwendet wird. Die 'Breadboard'-Verstärkung ist etwas geringer, da ich einen 630R-Verstärkungswiderstand verwendet habe.)

Das Datenblatt AD8226 gibt einen Ausgangsspannungshub von 0,1 V bis + VS - 0,1 V im Single-Ended-Modus an. Ich messe den Ausgang in einem hochwertigen Multimeter (dh einer hohen Impedanz), obwohl ich die gleichen Ergebnisse beobachtet habe, als ich einen Lastwiderstand von 20 K hinzugefügt habe. Ich habe die Ergebnisse mit mehreren AD8226-Geräten wiederholt.

Kann jemand erklären, warum die Verstärkung über einen Differenzeingang von ~ 20 mV abfallen würde, da ich scheinbar gut innerhalb der Ausgangsgrenzen bleibe?

Höchstwahrscheinlich eine Gleichtaktspannungsverletzung. Siehe Abbildung 15 des Datenblattes. Leider gibt es Ihnen nicht die Grenzen für ein einzelnes Netzteil, sondern zeigt Ihnen, dass Gleichtakt- und Ausgangsspannungsgrenzen Hand in Hand gehen.

Maßnahmen, die Ihr Problem lösen können:

• Verwenden Sie eine doppelte Stromversorgung.
• Heben Sie die Eingänge über den Boden.
• Verwenden Sie eine niedrigere Verstärkungseinstellung.

BEARBEITEN:

Wie von Dave Tweed hervorgehoben, enthält das Datenblatt Informationen zu Gleichtakt- und Ausgangsspannungsbereichen für die Einzelversorgung. Siehe Abbildung 13 auf Seite 10 des Datenblattes (Ihr Fall ist der blaue dreieckige Bereich). Ihr Gleichtakt-Eingang ist praktisch geerdet. Sobald Ihr Ausgang etwa 0,7 V überschreitet, wird der Grenzwert überschritten und Ihr Gerät verhält sich nicht wie angegeben. Dies ist auch dann der Fall, wenn Sie Vref auf 2,5 V ändern: Die Ausgangsgrenze beträgt 3,2 V, damit eine Gleichtakt-Eingangsspannung von Masse ungültig wird.