Por que o ganho do meu amplificador de instrumentação não é linear?

Estou usando um amplificador de instrumentação AD8226 como pré-amplificador em um circuito que usa um sensor de oxigênio de célula de combustível micro para medir o conteúdo de oxigênio em uma corrente de gás. O pré-amplificador é configurado no modo de alimentação de extremidade única, com uma alimentação de 5 V. O resistor de ganho foi escolhido para obter um ganho de ~ 80.

A saída do amplificador é então passada através de um filtro passa-baixo ativo e para o ADC de um microcontrolador, mas não acredito que isso seja relevante para o problema. Tudo o que foi discutido aqui foi feito com a saída do pré-amplificador (nó O2_PRE no diagrama) flutuando e conectada apenas a um multímetro.

Ao testar este circuito com o sensor, descobri que o ganho era agradável e linear - até um certo ponto em que o ganho diminuía (esse ponto era de cerca de 20mV de entrada / saída de 1,6V).

Para eliminar quaisquer problemas com o sensor, substituí o sensor por um divisor de tensão composto por um reisistor fixo e um pote linear de várias voltas:

Com a rede de resistores, observei o mesmo problema (veja mais abaixo o gráfico da saída inamp).

Para eliminar ainda mais quaisquer problemas com o circuito circundante, liguei diretamente até o AD8226, usando minha fonte bechtop como VCC. Dando o circuito visto aqui:

Isso mostrou o mesmo comportamento visto neste gráfico:

('placa principal' refere-se à saída quando o divisor de tensão é usado para acionar o circuito original, o ganho da 'placa de ensaio' é um pouco menor quando eu usei um resistor de ganho 630R)

A folha de dados do AD8226 especifica um balanço da tensão de saída de 0,1 V a + VS-0,1 V no modo de extremidade única. Estou medindo a saída em um multímetro de alta qualidade (alta impedância), embora tenha observado os mesmos resultados quando adicionei um resistor de carga de 20 K. Repeti os resultados com vários dispositivos AD8226.

Alguém pode explicar por que o ganho estaria caindo acima de uma entrada diferencial de ~ 20 mV, dado que eu pareço ficar bem dentro dos limites de saída?

Provavelmente, uma violação de tensão no modo comum. Veja a Figura 15 da folha de dados. Infelizmente, ele não fornece os limites para uma única fonte de alimentação, mas mostra que os limites de tensão em modo comum e de saída andam de mãos dadas.

Ações que podem resolver seu problema:

• Use fonte de alimentação dupla.
• Levante as entradas acima do solo.
• Use uma configuração de ganho menor.

EDITAR:

Conforme apontado por Dave Tweed, a folha de dados possui informações sobre as faixas de tensão em modo comum e de saída para alimentação única. Consulte a Figura 13 na página 10 da folha de dados (o seu gabinete é a área triangular azul). Sua entrada de modo comum é praticamente aterrada; assim que sua saída exceder cerca de 0,7 V, o limite será excedido e o dispositivo não se comportará conforme especificado. Isso acontecerá mesmo se você alterar Vref para 2,5 V: o limite de saída será 3,2 V para que uma tensão de entrada de terra em modo comum se torne inválida.