ad620用法介紹以及典型電路連接

1、單片儀表放大器為了滿足對更容易應(yīng)用的儀表放大器的需求，ADI公司研發(fā)出單片IC儀表放大器。這些IC包含對如前所述的三運(yùn)放和雙運(yùn)放儀表放大器電路的改進(jìn)，同時提供激光微調(diào)的電阻器和其它有益於單片IC的技術(shù)。由於有源器件和無源器件現(xiàn)在都在同一顆管芯內(nèi)，所以它們能夠精密匹配這保證了器件提供高CMR。另外，這些器件在整個溫度范圍內(nèi)保持匹配，從而保證了在寬溫度范圍內(nèi)優(yōu)良的性能。 IC技術(shù)（例如，激光晶圓微調(diào)）能夠使單片集成電路調(diào)整到極高精度并且提供低成本、高量產(chǎn)。單片儀表放大器的另一個優(yōu)點(diǎn)是它們可以采用尺寸極小、成本極低的SOIC或MSOP封裝，適合用於高量產(chǎn)。表1提供一個ADI公司儀表放大器性

2、能快速一覽表。 圖1. AD8221原理圖 一、采用儀表放大器還是差分放大器 盡管儀表放大器和差分放大器有很多共性，但設(shè)計過程的第一步應(yīng)當(dāng)是選擇使用何種類型的放大器。 差分放大器本質(zhì)上是一個運(yùn)放減法器，通常使用大阻值輸入電阻器。電阻器通過限制放大器的輸入電流提供保護(hù)。它們還將輸入共模電壓和差分電壓減小到可被內(nèi)部減法放大器處理的范圍?？傊?，差分放大器應(yīng)當(dāng)用於共模電壓或瞬態(tài)電壓可能會超過電源電壓的應(yīng)用中。與差分放大器相比，儀表放大器通常是帶有兩個輸入緩沖放大器的運(yùn)放減法器。當(dāng)總輸入共模電壓加上輸入差分電壓（包括瞬態(tài)電壓）小於電源電壓時，應(yīng)當(dāng)使用儀表放大器。在最高精度、最高信噪比（SNR）和最低輸入

3、偏置電流（IB）是至關(guān)重要的應(yīng)用中，也需要使用儀表放大器。 二、單片儀表放大器內(nèi)部描述 1、高性能儀表放大器 ADI公司於1971年推出了第一款高性能單片儀表放大器AD520，2003年推出AD8221。這款儀表放大器采用超小型MSOP封裝并且在高於其它同類儀表放大器的帶寬內(nèi)提供增加的CMR。它還比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AD620系列儀表放大器有很多關(guān)鍵的性能提高。 圖2. AD8221的引腳排列 AD8221是一種基於傳統(tǒng)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的單片儀表放大器（見圖1）。輸入三極管Q1和Q2在恒定的電流條件下被偏置以便任何差分輸入信號都使A1和A2的輸出電壓相等。施加到輸入端的信號產(chǎn)生一個通過RG、R1和R2的電流

4、以便A1和A2的輸出提供正確的電壓。從電路結(jié)構(gòu)上，Q1、A1、R1和Q2、A2、R2可視為精密電流反饋放大器。放大的差分信號和共模信號施加到差分放大器A3，它抑制共模電壓，但會處理差分電壓。差分放大器具有低輸出失調(diào)電壓和低輸出失調(diào)電壓漂移。經(jīng)過激光微調(diào)的電阻器允許高精密儀表放大器具有增益誤差典型值小於20ppm并且CMR超過90dB（G=1）。 圖3. AD8221的CMR與頻率的關(guān)系 圖4. AD8221的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 圖5. AD620原理圖 圖6. AD620的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 AD8221使用超輸入三極管和一個IB補(bǔ)償電路，它可提供極高的輸入阻抗，低IB，低失調(diào)電流（IOS

5、），低IB漂移，低輸入IB噪聲，以及8nV/（Hz）1/2極低電壓噪聲。 AD8221的增益公式為AD8221采用精心設(shè)計以保證用戶能夠使用一蘋外部的標(biāo)準(zhǔn)阻值的電阻器很容易和精確地設(shè)置增益。 由於AD8221的輸入放大器采用電流反饋結(jié)構(gòu)，所以它的增益帶寬乘積可以隨增益提高，從而構(gòu)成一個在提高增益時沒有電壓反饋結(jié)構(gòu)的帶寬降低的系統(tǒng)。 為了甚至在低輸入信號幅度條件下也能保持精密度，對AD8221的設(shè)計和布線采用了特別細(xì)心的考慮，因而能使儀表放大器的性能滿足甚至要求最嚴(yán)格的應(yīng)用（見圖3和圖4）。 AD8221采用獨(dú)特的引腳排列使其達(dá)到無與倫比的CMR技術(shù)指標(biāo)，在10kHz（G = 1）條件下為80d

6、B，在1kHz（G = 1000）條件下為110dB。平衡的引腳排列，如圖2所示，減少了過去對CMR性能有不利影響的寄生效應(yīng)。另外，新的引腳排列簡化了PCB布線，因?yàn)橄嚓P(guān)的印制線都分組靠近在一起。例如，增益設(shè)置電阻器引腳與輸入引腳相鄰，并且參考腳靠近輸出引腳。 多年來，AD620已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高性能、低成本的儀表放大器。AD620是一種完整的單片儀表放大器，提供8引腳DIP和SOIC兩種封裝。用戶使用一蘋外部電阻器可以設(shè)置從1到1,000任何要求的增益。按照設(shè)計要求，增益10和100需要的電阻值是標(biāo)準(zhǔn)的1%金屬膜電阻值。 AD620（見圖5）是傳統(tǒng)AD524儀表放大器的第二代產(chǎn)品并且包含一

7、個改進(jìn)的傳統(tǒng)三運(yùn)放電路。經(jīng)過激光微調(diào)的片內(nèi)薄膜電阻器R1和R2，允許用戶僅使用一蘋外部電阻器便可將增益精確設(shè)置到100，最大誤差在±0.3%之內(nèi)。單片結(jié)構(gòu)和激光晶圓微調(diào)允許電路元器件的精密匹配和跟蹤。 圖7. AD620的CMR與頻率的關(guān)系 圖8. AD620的增益非線性(G=100, RL=10k,垂直刻度: 100V=10ppm, 水平刻度2V/div)圖9. AD620的小信號脈沖響應(yīng)(G=10，RL=2k，CL=100pF)圖10. AD621原理圖 由Q1和Q2構(gòu)成的前置放大器級提供附加的增益前端。通過Q1-A1-R1環(huán)路和Q2-A2-R2環(huán)路反饋使通過輸入器件Q1和Q2的

8、集電極電流保持恒定，由此使輸入電壓加在外部增益設(shè)置電阻器RG的兩端。這就產(chǎn)生一個從輸入到A1/A2輸出的差分增益G，G=（R1R2）/RG1。單元增益減法器A3消除了任何共模信號，并產(chǎn)生一個相對於REF引腳電位的單端輸出。RG的值還決定前置放大器級的跨導(dǎo)。為了提供增益而減小RG時，前置放大器級的跨導(dǎo)逐漸增加到相應(yīng)輸入三極管的跨導(dǎo)。這有三個主要優(yōu)點(diǎn)。第一，隨著設(shè)置增益增加，開環(huán)增益也隨著增加，從而降低了增益相對誤差。第二，（由C1、C2和前置放大器跨導(dǎo)決定的）增益帶寬乘積隨著設(shè)置的增益一起增加，因而優(yōu)化了放大器的頻率響應(yīng)。圖6示出AD620的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系。 AD620還在寬頻率范圍內(nèi)具有

9、優(yōu)良的CMR，如圖7所示。圖8和圖9分別示出AD620的增益非線性和小信號脈沖響應(yīng)。 第三，輸入電壓噪聲減少到9nV（Hz）1/2，主要由輸入器件的集電極電流和基極電阻決定的。 內(nèi)部增益電阻器R1和R2的阻值已經(jīng)調(diào)整到24.7k，從而允許只利用一蘋外部電阻器便可精確地設(shè)置增益。增益公式為這，電阻器RG以k為單位。 選擇24.7k阻值是以便於可使用標(biāo)準(zhǔn)1%電阻器設(shè)置最常用的增益。 AD621與AD620類似，只是設(shè)置10和100倍增益的增益電阻器已經(jīng)集成在芯片內(nèi)無需使用外部電阻器。選擇100倍增益只需要一個外部跨接線（在引腳1和8之間）。對於10倍增益，斷開引腳1和引腳8。它在規(guī)定溫度范圍內(nèi)提供

10、優(yōu)良的增益穩(wěn)定性，因?yàn)槠瑑?nèi)增益電阻跟蹤反饋電阻的溫度系數(shù)（TC）。圖10是AD621的原理圖。AD621具有0.15%最大總增益誤差和±5ppm/增益漂移，它比AD620的片內(nèi)精度高出許多。 圖11. AD621的CMR與頻率的關(guān)系 圖12. AD621的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 AD621也可使用一蘋外部增益電阻設(shè)置在10和100之間的增益，但增益誤差和增益溫度漂移會變壞。使用外部電阻器設(shè)置增益公式為 G=（R1R2）/RG+1 圖11和圖12分別示出AD621的CMR與頻率的關(guān)系以及閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系。圖13和圖14分別示出AD621的增益非線性和小信號脈沖響應(yīng)。 圖13. AD6

11、21的增益非線性(G=10, RL=10k，垂直刻度100V/div=100ppm/div，水平刻度2V/div)圖14. AD621的小信號脈沖響應(yīng)(G=10，RL=2k，CL=100pF)圖15. AD8225原理圖 2、固定增益儀表放大器 AD8225是一種增益為5的精密單片儀表放大器。圖15示出它是一個三運(yùn)放儀表放大器。單位增益輸入緩沖器由超NPN三極管Q1和Q2以及運(yùn)放A1和A2組成。這些三極管被補(bǔ)償以使它們的輸入偏置電流極低，典型值為100pA或更低。因此，電流噪聲也很低，僅50fA/（Hz）1/2。輸入緩沖器驅(qū)動一蘋增益為5的差分放大器。因?yàn)?k和15k電阻是比率匹配的，所以增益

12、穩(wěn)定性在額定溫度范圍內(nèi)優(yōu)於5ppm/。 與通常的可變增益儀表放大器的單位增益補(bǔ)償相比，AD8225具有寬增益帶寬乘積，由於它被補(bǔ)償?shù)? 倍固定增益。AD8225創(chuàng)新的引腳排列也提高了高頻性能。由於引腳1和8未用，所以引腳1可連接到引腳4。由於引腳4也是AC接地，所以平衡了引腳2和3上的寄生電容。 3、低成本儀表放大器 AD622是AD620的低成本版本（見圖5）。AD622采用改進(jìn)的生產(chǎn)方法以便以較低成本提供AD620的大多數(shù)性能。圖18、圖19和圖20分別示出AD622的CMR與頻率的關(guān)系，增益非線性以及閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系。圖16. AD8225的CMR與頻率的關(guān)系 圖17. AD8225

13、的增益非線性 圖18. AD622的CMR與頻率的關(guān)系(RTI，01k源阻抗不平衡)圖19. AD622的增益非線性(G=1，RL=10k；垂直刻度2V=2ppm)圖20. AD622的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 圖21. AD623原理圖 4、單電源儀表放大器 單電源儀表放大器有一些特殊的設(shè)計問題需要解決。輸入級必須能夠放大處於接地電位（或非常接近接地電位）的信號，并且輸出級擺幅要能夠接近地電位或電源電壓，即高於地電位或低於電源電壓幾個毫伏（mV）。低電源電流也很重要。并且，當(dāng)儀表放大器工作在低電源電壓時，它需要有足夠的增益帶寬乘積、低失調(diào)電壓漂移和優(yōu)良的CMR與增益以及CMR與頻率的關(guān)系。 AD

14、623是一種在三運(yùn)放儀表放大器電路基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)的儀表放大器以保證單電源或雙電源工作，甚至能工作在共模電壓或者低於負(fù)電源電壓（或單電源工作時，低於接地電位）。其它特點(diǎn)包括R-R輸出電壓擺幅，低電源電流，超小型封裝，低輸入和輸出失調(diào)電壓，V級DC失調(diào)電壓漂移，高CMR，以及僅用一蘋外部電阻器設(shè)置增益。 如圖21所示，輸入信號施加到PNP三極管作為電壓緩沖器和DC電平移位器。在每個放大器（A1和A2）反饋路徑中采用一蘋精度調(diào)整到0.1%以內(nèi)的50k電阻器保證精確的增益設(shè)置。差分輸出為這RG以k為單位。 使用輸出差分放大器，將差分電壓轉(zhuǎn)換為單端電壓，也抑制了輸入放大器輸出端上的任何共模信號。 由於上

15、述所有放大器的擺幅都能達(dá)到電源電壓的任一端，并且它們的共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源電壓以下，因而進(jìn)一步提高了AD623的擺幅范圍。 應(yīng)當(dāng)注意，不像雙電源輸入電流補(bǔ)償?shù)膬x表放大器（例如，AD620），Q1和Q2的基極電流直接流出輸入端。由於這兩個輸入端（即Q1和Q2的基極）可工作在接地電位（即，0V或更準(zhǔn)確的說，低於接地電位200mV），所以為AD623提供輸入電流補(bǔ)償是不可能的。但是，AD623的輸入偏置電流仍非常小最大值僅25nA。 圖22. AD623的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 圖23. AD623的CMR與頻率的關(guān)系(VS=±5V)圖24. AD623的增益非線性(G=-10,50ppm/

16、div)圖25. AD623的小信號脈沖響應(yīng)(G=10，RL=10k，CL=100pF)圖26. AD627原理圖 圖27. AD627的CMR與頻率的關(guān)系 圖28. AD627的閉環(huán)增益與頻率的關(guān)系 圖29 . AD627的增益非線性(VS=±2.5V，G=5，4ppm/垂直分格)圖30. AD627圖的小信號脈沖響應(yīng)(VS=±5V，G=+10,RL=20K，CL=50pF,20s/水平分格,20mV/垂直分格)引腳6上的輸出電壓是相對引腳5上的參考端電位測量的。參考端引腳的阻抗是100k。內(nèi)部ESD箝位二極管允許AD623的輸入端、參考端、輸出端和增益端安全地耐受高於或

17、低於電源電壓0.3V 的過壓。對於所有增益，并且在開機(jī)或關(guān)機(jī)時都是這樣。對於後一種情況尤其重要，因?yàn)樾盘栐春蛢x表放大器可能是分開供電的。如果預(yù)期過壓超過這個值，使用外部限流電阻器，應(yīng)該限制流過這些二極管的電流到10mA。這些電阻器的阻值由儀表放大器的噪聲幅度、電源電壓以及所需要的過壓保護(hù)確定。 當(dāng)AD623的增益增加時，會減小它的帶寬，因?yàn)锳1和A2是電壓反饋運(yùn)算放大器。但是，AD623甚至在較高增益下，它仍有足夠的帶寬適合許多應(yīng)用。 AD623的增益是通過引腳1和8之間的RG電阻器或由更精確的其它方法構(gòu)成的阻抗進(jìn)行設(shè)置的。圖22示出AD623的增益與頻率的關(guān)系。AD623使用0.1%1%允許

18、誤差的電阻器經(jīng)過激光微調(diào)以達(dá)到精確增益。 表2示出對應(yīng)各種增益所需要的RG值。注意，對於G=1，RG兩端不連接。對於任何任意的增益，RG可使用以下公式計算 RG=100 k/（G-1） 圖23示出AD623的CMR與頻率的關(guān)系。注意在增益增加到100時還具有很高的CMR，并且當(dāng)頻率高達(dá)200Hz時，在很寬的頻率范圍內(nèi)CMR仍然很高。這保證了電源共模信號（以及它們的諧波）的衰減。圖24示出AD623的增益非線性。圖25示出AD623的小信號脈沖響應(yīng)。 5、低功耗、單電源儀表放大器 AD627是一種單電源、微功耗儀表放大器，它僅使用一蘋外部電阻器可將增益配置在5和1,000之間。它采用3V30V單

19、電源提供R-R輸出電壓擺幅。它在3V電源工作條件下具有僅60A（典型值）靜態(tài)電源電流，其總功耗小於180W。 圖26是AD627的原理圖。AD627是使用兩個反饋環(huán)路構(gòu)成的真正儀表放大器。它的通用特性類似於那些傳統(tǒng)的雙運(yùn)放儀表放大器，并且可認(rèn)為是雙運(yùn)放儀表放大器，但是其內(nèi)部細(xì)節(jié)有些不同。 AD627采用改進(jìn)的電流反饋電路，與內(nèi)級前饋頻率補(bǔ)償電路耦合，因而在DC以上（特別是50Hz60Hz電源頻率）的頻率條件下具有比其它低功耗儀表放大器更好的共模抑制比（CMRR）。 如圖26所示，A1與V1和R5連接構(gòu)成一個完整的反饋環(huán)路，迫使流過Q1集電極電流恒定。假設(shè)此時不連接增益設(shè)置電阻器（RG）。電阻器

20、R2和R1完成環(huán)路并且迫使A1的輸出電壓等於具有1.25（幾乎精確）增益的反向端電壓。由A2構(gòu)成的幾乎相同的反饋環(huán)路迫使一個電流流過Q2，它本質(zhì)上與流過Q1的電流相同，并且A2也提供輸出電壓。當(dāng)兩個環(huán)路都平衡時，從同向端到VOUT的增益等於5，而從A1的輸出到VOUT的增益等於-4。A1的反向端增益（1.25）乘以A2的增益（-4）使反向端和同向端的增益相等。 差模增益等於1+R4/R3，標(biāo)稱值為5，并且具有工廠調(diào)整過的0.01%最終精度（AD627B典型值）。增加一蘋外部增益設(shè)置電阻器（RG）將增益提高（R4+R1）/RG。AD627的增益由以下公式給出 從R1到R4的電阻器經(jīng)過激光微調(diào)以保

21、證它們的阻值盡可能接近增益公式中的絕對值。這保證了在所有實(shí)際增益條件下器件具有低增益誤差和高CMR。 圖27示出AD627的CMR與頻率的關(guān)系。圖28和圖29分別示出AD627的增益與頻率的關(guān)系以及增益非線性。AD627還具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)，如圖30所示。四、儀表放大器各種非電量的測量，通常由傳感器把它轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）信號，此電壓信號一般都較弱，最小的到0.1µV，而且動態(tài)范圍較寬，往往有很大的共模干擾電壓。因此，在傳感器后面大都需要接儀表放大器，主要作用是對傳感器信號進(jìn)行精密的電壓放大，同時對共模干擾信號進(jìn)行抑制，以提高信號的質(zhì)量。由于傳感器輸出阻抗一般很高，輸出電壓幅度很小，

22、再加上工作環(huán)境惡劣，因此，儀器放大器與一般的通用放大器相比，有其特殊的要求，主要表現(xiàn)在高輸入阻抗，高共模抑制比、低失調(diào)與漂移、低噪聲、及高閉環(huán)增益穩(wěn)定性等。本節(jié)介紹幾種由運(yùn)算放大器構(gòu)成的高共模抑制比儀表放大器（一）同相串聯(lián)差動放大器圖3-17為一同相串聯(lián)差動放大器。電路要求兩只運(yùn)算放大器性能參數(shù)基本匹配，且在外接電阻元件對稱情況下（即R1=R4，R2=R3），電路可獲得很高的共模抑制比，此外還可以抵消失調(diào)及漂移誤差電壓的作用。圖3-17 同相串聯(lián)差動放大器該電路的輸出電壓由疊加原理可得 =從而求得差模閉環(huán)增益（二）同相并聯(lián)差動放大器圖3-18為同相并聯(lián)差動放大器。該電路與圖3-17電路一樣，仍

23、具有輸入阻抗高、直流效益好、零點(diǎn)漂移小、共模抑制比高等特點(diǎn)，在傳感器信號放大中得到廣泛應(yīng)用。圖3-18 同相并聯(lián)差動放大器由圖3-18可知：將I 代入V01，V02可得由此可得電路差模閉環(huán)增益該電路若用一可調(diào)電位器代替R7，可以調(diào)整差模增益Ad的大小。該電路要求A3 的外接電阻嚴(yán)格匹配，因?yàn)锳3放大的是A1，A2輸出之差。電路的失調(diào)電壓是由A3引起的，降低A3的增益可以減小輸出溫度漂移。（三）增益線性可調(diào)差動放大器圖3-19是電壓增益可線性調(diào)節(jié)的差動放大器?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電位器RW的線性刻度來直接讀取電壓增益，給使用帶來很大的方便。圖3-19增益線性可調(diào)差動放大器圖3-19中，由疊加原理可得因V

24、A=VB，整理上兩式，且當(dāng)R1=R2=R3=R4時，輸出電壓電路閉環(huán)增益可見，電路增益與RPW成線性關(guān)系，改變RW大小不影響電路的共模抑制比（四）高共模抑制比差動放大器前面討論的電路中，沒有考慮寄生電容、輸入電容和輸入?yún)?shù)不對稱對抑制比的影響。當(dāng)要求提高交流放大電路的共模抑制比時，這些影響就必須考慮。在檢測和控制系統(tǒng)中，常用屏蔽電纜來實(shí)現(xiàn)長距離信號傳輸，信號線與屏蔽層之間有不可忽略的電容存在。習(xí)慣上采用屏蔽層接地的方法，這樣該電容就成為放大器輸入端對地的寄生電容，加上放大器本身的輸入電容。如果差動放大器兩個輸入端各自對地的電容不相等，就會使電路的共模抑制比變壞，測量精度下降。為了消除信號線與屏

25、蔽層之間寄生電容的影響，最簡單的方法是采用等電位屏蔽的措施，即不把電纜的屏蔽層接地，而是接到與輸入共模信號相等的某等電位點(diǎn)上，亦即使電纜芯線與屏蔽層之間處于等電位，從而消除了共模輸入信號在差動放大器兩端形成的誤差電壓。如圖3-20所示。圖3-20 高共模抑制比差動放大器圖中兩只電阻R0的連接點(diǎn)電位正好等于輸入共模電壓，將連接點(diǎn)電位通過A4電壓跟隨器連到輸入信號電纜屏蔽層上，使屏蔽層電位也等于共模電壓。參照同相并聯(lián)差動放大器的分析可知當(dāng)R1=R2時，可證明連接點(diǎn)電位正好等于共模輸入電壓，也即是電纜屏蔽層的電位與共模輸入電纜芯線電位相等，因此不再因電纜電容的不平衡而造成很大的誤差電壓。由圖3-20

26、還可見，A4的輸出端還接到輸入運(yùn)放A1、A2供電電源±EC的公共端，因此使其電源處于隨共模電壓而變的浮動狀態(tài)，即使正負(fù)電源的漲落幅度與共模輸入電壓的大小完全相同。由于電源對共模電壓的跟蹤作用，會使共模電壓造成的影響大大地削弱。（五）集成儀器放大器在差分放大電路中，電阻匹配問題是影響共模抑制比的主要因素。如果用分立運(yùn)算放大器來作測量電路，難免有電阻的差異，因而造成共模抑制比的降低和增益的非線性。采用后模工藝制作的集成儀器放大器解決了上述匹配問題，此外集成芯片較分立放大器具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。一般集成儀器放大器具有以下特點(diǎn)：(1) 輸入阻抗高，一般高于109；(2) 偏置電流低；(3) 共模抑制比高；