¿Por qué la ganancia de mi amplificador de instrumentación no es lineal?

Estoy usando un amplificador de instrumentación AD8226 como preamplificador en un circuito que usa un sensor de oxígeno de micro celdas de combustible para medir el contenido de oxígeno en una corriente de gas. El preamplificador está configurado en modo de suministro de un solo extremo, con un suministro de 5 V. Se eligió la resistencia de ganancia para obtener una ganancia de ~ 80.

La salida del amplificador interno se pasa a través de un filtro de paso bajo activo y al ADC de un microcontrolador, pero no creo que esto sea relevante para el problema. Todo lo discutido aquí se hizo con la salida del preamplificador (nodo O2_PRE en el diagrama) flotando y solo conectada a un multímetro.

Al probar este circuito con el sensor, descubrí que la ganancia era agradable y lineal, hasta un cierto punto donde la ganancia se redujo (este punto era de aproximadamente 20 mV de entrada / 1.6V de salida).

Para eliminar cualquier problema con el sensor, reemplacé el sensor con un divisor de voltaje compuesto por un reisistor fijo y un bote lineal de varias vueltas:

Con la red de resistencia, observé el mismo problema (ver más abajo para una gráfica de la salida inactiva).

Para eliminar aún más cualquier problema con los circuitos circundantes, conecté el cable directamente al AD8226, usando mi suministro Bechtop como VCC. Dando el circuito visto aquí:

Esto mostró el mismo comportamiento que se ve en esta trama:

('placa base' se refiere a la salida cuando se usa el divisor de voltaje para conducir el circuito original, la ganancia de 'placa' es ligeramente menor ya que usé una resistencia de ganancia 630R)

La hoja de datos AD8226 especifica una oscilación de voltaje de salida de 0.1 V a + VS − 0.1 V en modo de extremo único. Estoy midiendo la salida en un multímetro de alta calidad (es decir, alta impedancia), aunque observé los mismos resultados cuando agregué una resistencia de carga de 20 K. He repetido los resultados con múltiples dispositivos AD8226.

¿Alguien puede explicar por qué la ganancia estaría cayendo por encima de una entrada diferencial de ~ 20 mV dado que parece que me mantengo dentro de los límites de salida?

Lo más probable es una violación de voltaje de modo común. Consulte la Figura 15 de la hoja de datos. Desafortunadamente, no le da los límites para una sola fuente de alimentación, pero le muestra que los límites de voltaje de salida y modo común van de la mano.

Acciones que pueden resolver su problema:

• Utilice doble fuente de alimentación.
• Levante las entradas por encima del suelo.
• Use una configuración de ganancia más baja.

EDITAR:

Como señaló Dave Tweed, la hoja de datos tiene información sobre los rangos de voltaje de salida y modo común para una sola fuente. Consulte la Figura 13 en la página 10 de la hoja de datos (su caso es el área triangular azul). Su entrada de modo común está prácticamente conectada a tierra, por lo que tan pronto como su salida exceda aproximadamente 0.7 V, se excederá el límite y su dispositivo no se comportará como se especifica. Esto sucederá incluso si cambia Vref a 2.5 V: el límite de salida será de 3.2 V para que un voltaje de entrada de tierra de modo común no sea válido.