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放和雙運放儀表放大器電路的改進，同時提供激光微調的電阻器和其它有益於單片IC的技術。由於有源器件和無源器件現在都在同一顆管芯內，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保持匹配，從而保證了在寬溫度范圍內優(yōu)良的性能。 IC技術（例如，激光晶圓微調）能夠使單片集成電路調整到極高精度并且提供低成本、高量產。單片儀表放大器的另一個優(yōu)點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。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，但設計過程的第一步應當是選擇使用何種類型的放大器。 差分放大器本質上是一個運放減法器，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。它們還將輸入共模電壓和差分電壓減小到可被內部減法放大器處理的范圍?？傊?，差分放大器應當用於共模電壓或瞬態(tài)電壓可能會超過電源電壓的應用中。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放減法器。當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，應當使用儀表放大器。在最高精度、最高信噪比（SNR）和最低輸入

3、偏置電流（IB）是至關重要的應用中，也需要使用儀表放大器。 二、單片儀表放大器內部描述 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提供增加的CMR。它還比工業(yè)標準AD620系列儀表放大器有很多關鍵的性能提高。 圖2. AD8221的引腳排列 AD8221是一種基於傳統(tǒng)的三運放結構的單片儀表放大器（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。從電路結構上，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電壓和低輸出失調電壓漂移。經過激光微調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與頻率的關系 圖4. AD8221的閉環(huán)增益與頻率的關系 圖5. AD620原理圖 圖6. AD620的閉環(huán)增益與頻率的關系 AD8221使用超輸入三極管和一個IB補償電路，它可提供極高的輸入阻抗，低IB，低失調電流（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采用精心設計以保證用戶能夠使用一蘋外部的標準阻值的電阻器很容易和精確地設置增益。 由於AD8221的輸入放大器采用電流反饋結構，所以它的增益帶寬乘積可以隨增益提高，從而構成一個在提高增益時沒有電壓反饋結構的帶寬降低的系統(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的設計和布線采用了特別細心的考慮，因而能使儀表放大器的性能滿足甚至要求最嚴格的應用（見圖3和圖4）。 AD8221采用獨特的引腳排列使其達到無與倫比的CMR技術指標，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。另外，新的引腳排列簡化了PCB布線，因為相關的印制線都分組靠近在一起。例如，增益設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已經成為工業(yè)標準的高性能、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置從1到1,000任何要求的增益。按照設計要求，增益10和100需要的電阻值是標準的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品并且包含一

7、個改進的傳統(tǒng)三運放電路。經過激光微調的片內薄膜電阻器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置到100，最大誤差在±0.3%之內。單片結構和激光晶圓微調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(G=10，RL=2k，CL=100pF)圖10. AD621原理圖 由Q1和Q2構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置電阻器RG的兩端。這就產生一個從輸入到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。為了提供增益而減小RG時，前置放大器級的跨導逐漸增加到相應輸入三極管的跨導。這有三個主要優(yōu)點。第一，隨著設置增益增加，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和前置放大器跨導決定的）增益帶寬乘積隨著設置的增益一起增加，因而優(yōu)化了放大器的頻率響應。圖6示出AD620的閉環(huán)增益與頻率的關系。 AD620還在寬頻率范圍內具有

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。 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。 內部增益電阻器R1和R2的阻值已經調整到24.7k，從而允許只利用一蘋外部電阻器便可精確地設置增益。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準1%電阻器設置最常用的增益。 AD621與AD620類似，只是設置10和100倍增益的增益電阻器已經集成在芯片內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)定溫度范圍內提供

10、優(yōu)良的增益穩(wěn)定性，因為片內增益電阻跟蹤反饋電阻的溫度系數（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的片內精度高出許多。 圖11. AD621的CMR與頻率的關系 圖12. AD621的閉環(huán)增益與頻率的關系 AD621也可使用一蘋外部增益電阻設置在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與頻率的關系以及閉環(huán)增益與頻率的關系。圖13和圖14分別示出AD621的增益非線性和小信號脈沖響應。 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(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以及運放A1和A2組成。這些三極管被補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。輸入緩沖器驅動一蘋增益為5的差分放大器。因為3k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優(yōu)於5ppm/。 與通常的可變增益儀表放大器的單位增益補償相比，AD8225具有寬增益帶寬乘積，由於它被補償到5 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采用改進的生產方法以便以較低成本提供AD620的大多數性能。圖18、圖19和圖20分別示出AD622的CMR與頻率的關系，增益非線性以及閉環(huán)增益與頻率的關系。圖16. AD8225的CMR與頻率的關系 圖17. AD8225

13、的增益非線性 圖18. AD622的CMR與頻率的關系(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、低失調電壓漂移和優(yōu)良的CMR與增益以及CMR與頻率的關系。 AD

14、623是一種在三運放儀表放大器電路基礎上經過改進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電源電壓（或單電源工作時，低於接地電位）。其它特點包括R-R輸出電壓擺幅，低電源電流，超小型封裝，低輸入和輸出失調電壓，V級DC失調電壓漂移，高CMR，以及僅用一蘋外部電阻器設置增益。 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整到0.1%以內的50k電阻器保證精確的增益設置。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到電源電壓的任一端，并且它們的共模范圍擴展到負電源電壓以下，因而進一步提高了AD623的擺幅范圍。 應當注意，不像雙電源輸入電流補償的儀表放大器（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或更準確的說，低於接地電位200mV），所以為AD623提供輸入電流補償是不可能的。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)增益與頻率的關系 圖23. AD623的CMR與頻率的關系(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(G=10，RL=10k，CL=100pF)圖26. AD627原理圖 圖27. AD627的CMR與頻率的關系 圖28. AD627的閉環(huán)增益與頻率的關系 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(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，并且在開機或關機時都是這樣。對於後一種情況尤其重要，因為信號源和儀表放大器可能是分開供電的。如果預期過壓超過這個值，使用外部限流電阻器，應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確定。 當AD623的增益增加時，會減小它的帶寬，因為A1和A2是電壓反饋運算放大器。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成的阻抗進行設置的。圖22示出AD623的增益與頻率的關系。AD623使用0.1%1%允許

18、誤差的電阻器經過激光微調以達到精確增益。 表2示出對應各種增益所需要的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與頻率的關系。注意在增益增加到100時還具有很高的CMR，并且當頻率高達200Hz時，在很寬的頻率范圍內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。 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)的雙運放儀表放大器，并且可認為是雙運放儀表放大器，但是其內部細節(jié)有些不同。 AD627采用改進的電流反饋電路，與內級前饋頻率補償電路耦合，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。假設此時不連接增益設置電阻器（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構成的幾乎相同的反饋環(huán)路迫使一個電流流過Q2，它本質上與流過Q1的電流相同，并且A2也提供輸出電壓。當兩個環(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，標稱值為5，并且具有工廠調整過的0.01%最終精度（AD627B典型值）。增加一蘋外部增益設置電阻器（RG）將增益提高（R4+R1）/RG。AD627的增益由以下公式給出 從R1到R4的電阻器經過激光微調以保

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與頻率的關系。圖28和圖29分別示出AD627的增益與頻率的關系以及增益非線性。AD627還具有優(yōu)良的動態(tài)響應，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行精密的電壓放大，同時對共模干擾信號進行抑制，以提高信號的質量。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，主要表現在高輸入阻抗，高共模抑制比、低失調與漂移、低噪聲、及高閉環(huán)增益穩(wěn)定性等。本節(jié)介紹幾種由運算放大器構成的高共模抑制比儀表放大器（一）同相串聯差動放大器圖3-17為一同相串聯差動放大器。電路要求兩只運算放大器性能參數基本匹配，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及漂移誤差電壓的作用。圖3-17 同相串聯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）同相并聯差動放大器圖3-18為同相并聯差動放大器。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、零點漂移小、共模抑制比高等特點，在傳感器信號放大中得到廣泛應用。圖3-18 同相并聯差動放大器由圖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電位器代替R7，可以調整差模增益Ad的大小。該電路要求A3 的外接電阻嚴格匹配，因為A3放大的是A1，A2輸出之差。電路的失調電壓是由A3引起的，降低A3的增益可以減小輸出溫度漂移。（三）增益線性可調差動放大器圖3-19是電壓增益可線性調節(jié)的差動放大器?？梢酝ㄟ^調節(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、輸入電容和輸入參數不對稱對抑制比的影響。當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，常用屏蔽電纜來實現長距離信號傳輸，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的連接點電位正好等于輸入共模電壓，將連接點電位通過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。參照同相并聯差動放大器的分析可知當R1=R2時，可證明連接點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、結構簡單、成本低的優(yōu)點，因而被廣泛使用。一般集成儀器放大器具有以下特點：(1) 輸入阻抗高，一般高于109；(2) 偏置電流低；(3) 共模抑制比高；