高精密电流放大器ADI AD8428设计到实践的全程手搓

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威廉希尔官方网站 ，并验证电容器选型对这个威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 设计就复杂了。所以能选择一款高精度的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。

这个是最后的威廉希尔官方网站 设计图。

PCB威廉希尔官方网站 设计图如下：

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。
 

使用ADIsim的设计图，

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。

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。

放大器下看看丝印。

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。

转换成适合模拟运行的威廉希尔官方网站 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。

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。

这个原理图还可以导出BOM元件表，

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威廉希尔官方网站 如下：

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。

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。

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。

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。

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。威廉希尔官方网站 原理设计如下。

生产PCB。

偷懒的自动布线。

3D演示。

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。

这才是最终版。

和最终的PCB。

输出BOM。

打印一下。

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。

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。

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。

这边搞双色的。

溶解蚀刻剂，大概等10分钟吧。

看起来不太行。

那就继续，直到变成浅蓝色，到最后。

完工。

最后，除掉油性笔痕，通常用能脱油的洗洁精就可以。

当然，大力出奇迹，用砂纸也是可以的。

手工焊，难度基本为零，美观程度，也基本为零。

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。

参考代码如下。

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。

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。

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。

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。

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。

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