ad620用法介绍以及典型电路连接

1、单片仪表放大器为了满足对更容易应用的仪表放大器的需求,ADI公司研发出单片IC仪表放大器.这些IC包含对如前所述的三运放和双运放仪表放大器电路的改良,同时提供激光微调的电阻器和其它有益於单片IC的技术.由於有源器件和无源器件现在都在同一颗管芯内,所以它们能够精密匹配一一这保证了器彳提供高 CMR o另外,这些器件在整个温度范围内保持匹配,从而保证了在宽温度 范围内优良的性能.IC技术例如,激光晶圆微调能够使单片集成电路调整到极高精度并且提供低本钱、高量产.单片仪表放大器的另一个优点是它们可以采用尺寸极小、本钱极低的SOIC或MSOP封装,适合用於高量产.表 1提供一个ADI公司仪表放大器性能快

2、速一览表.图1, AD8221 原理图、采用仪表放大器还是差分放大器尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性,但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器.差分放大器本质上是一个运放减法器,通常使用大阻值输入电阻器.电阻器通过限制放大器的输入电流提供保护.它们还将输入共模电压和差分电压减小到可被内部减法放大器处理的范围.总之,差分放大器应当用於共模电压或瞬态电压可能会超过电源电压的应用中.与差分放大器相比, 仪表放大器通常是带有两个输入缓冲放大器的运放减法器.当总输入共模电压加上输入差分电压包括瞬态电压小於电源电压时,应当使用仪表放大器.在最高精度、最 高信噪比SNR和最低输入偏置电流 旧是至

3、关重要的应用中,也需要使用仪表放大器.、单片仪表放大器内部描述1、高性能仪表放大器ADI公司於1971年推出了第一款高性能单片仪表放大器AD520 , 2022年推出AD8221.这款仪表放大器采用超小型 MSOP封装并且在高於其它同类仪表放大器的带宽内提供增加的CMR它还比工业标准 AD620系列仪表放大器有很多关键的性能提升.图2, AD8221的引脚排列AD8221是一种基於传统的三运放结构的单片仪表放大器(见图 1 ).输入三极管 Q1和Q2在 恒定的电流条件下被偏置以便任何差分输入信号都使A1和A2的输出电压相等.施加到输入端的信号产生一个通过 RG、R1和R2的电流以便 A1和A2

4、的输出提供正确的电压.从电路结构 上,Q1、A1、R1和Q2、A2、R2可视为精密电流反应放大器.放大的差分信号和共模信号施 加到差分放大器 A3,它抑制共模电压,但会处理差分电压.差分放大器具有低输出失调电压和 低输出失调电压漂移.经过激光微调的电阻器允许高精密仪表放大器具有增益误差典型值小於 20ppm 并且 CMR 超过 90dB (G=1 ).图3, AD8221的CMR与频率的关系图4, AD8221的闭环增益与频率的关系图5, AD620原理图100011k50k100k1OM热率(Hz)图6. AD620的闭环增益与频率的关系AD8221使用超0输入三极管和一个 旧补偿电路,它可

5、提供极高的输入阻抗,低 旧,低失调电 流(IOS),低 旧漂移,低输入 旧噪声,以及8nV/ (Hz) 1/2极低电压噪声.49 4g (j = + 149 4kQ =;AD8221的增益公式为：dAD8221采用精心设计以保证用户能够使用一苹外部的标准阻值的电阻器很容易和精确地设置 增益.由於AD8221的输入放大器采用电流反应结构,所以它的增益带宽乘积可以随增益提升,从而 构成一个在提升增益时没有电压反应结构的带宽降低的系统.为了甚至在低输入信号幅度条件下也能保持精密度,对AD8221的设计和布线采用了特别细心的考虑,因而能使仪表放大器的性能满足甚至要求最严格的应用(见图3和图4).AD8

6、221采用独特的引脚排列使其到达无与伦比的CMR技术指标,在10kHz (G = 1 )条件下为80dB ,在1kHz (G = 1000 )条件下为110dB.平衡的引脚排列,如图 2所示,减少了过去 对CMR性能有不利影响的寄生效应.另外,新的引脚排列简化了PCB布线,由于相关的印制线都分组靠近在一起.例如,增益设置电阻器引脚与输入引脚相邻,并且参考脚靠近输出弓I脚.多年来,AD620已经成为工业标准的高性能、低本钱的仪表放大器.AD620是一种完整的单片仪表放大器,提供8引脚DIP和SOIC两种封装.用户使用一苹外部电阻器可以设置从1到1,000任何要求的增益.根据设计要求,增益 10和

7、100需要的电阻值是标准的1%金属膜电阻值.AD620 见图5是传统AD524仪表放大器的第二代产品并且包含一个改良的传统三运放电路.经过激光微调的片内薄膜电阻器R1和R2,允许用户仅使用一苹外部电阻器便可将增益精确设置到100,最大误差在 土.3%之内.单片结构和激光晶圆微调允许电路元器件的精密匹配和跟踪.160loo ik蟆率(Hz)10k look图7. AD620的CMR与频率的关系图8. AD620 的增益非线性G=100, RL= 10kQ,垂直刻度：100 V=10ppm,水平刻度 2V/div图 9. AD620 的小信号脉冲响应 (G=10 , RL=2 , CL=100pF

8、)图10. AD621 原理图由Q1和Q2构成的前置放大器级提供附加的增益前端.通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路反应使通过输入器件 Q1和Q2的集电极电流保持恒定,由此使输入电压加在外部增益设置电阻器RG的两端.这就产生一个从输入到A1/A2输出的差分增益 G, G= ( R1 + R2 ) /RG + 1.单元增益减法器 A3消除了任何共模信号,并产生一个相对於REF引脚电位的单端输出.RG时,前置放大器级的跨导逐渐增随著设置增益增加,开环增益也随著增RG的值还决定前置放大器级的跨导.为了提供增益而减小 加到相应输入三极管的跨导.这有三个主要优点.第一,加,从而降低了增益相对误

9、差.第二,由 C1、C2和前置放大器跨导决定的增益带宽乘积 随著设置的增益一起增加,因而优化了放大器的频率响应.图 6示出AD620的闭环增益与频率 的关系.AD620还在宽频率范围内具有优良的CMR ,如图7所示.图8和图9分别示出AD620的增益非线性和小信号脉冲响应.第三,输入电压噪声减少到9nV Hz 1/2,主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定的.内部增益电阻器 R1和R2的阻值已经调整到 24.7k Q,从而允许只利用一苹外部电阻器便可精确4y.4kQ49.4 k：Rti =地设置增益.增益公式为：这,电阻器RG以kQ为单位.选才I 24.7k Q阻值是以便於可使用标准1%电阻

10、器设置最常用的增益.AD621与AD620类似,只是设置10和100倍增益的增益电阻器已经集成在芯片内一一无需使用外部电阻器.选才I 100倍增益只需要一个外部跨接线在引脚1和8之间.对於10倍增益,断开引脚1和引脚8.它在规定温度范围内提供优良的增益稳定性,由于片内增益电阻跟踪反应电阻的温度系数TC.图10是AD621的原理图.AD621具有0.15%最大总增益误差和 i5ppm/ C 增益漂移,它比 AD620的片内精度高出许多.图11. AD621的CMR与频率的关系100Q图12. AD621的闭环增益与频率的关系AD621也可使用一苹外部增益电阻设置在10和100之间的增益,但增益误

11、差和增益温度漂移会变坏.使用外部电阻器设置增益公式为：G= (R1 +R2) /RG+1图11和图12分别示出AD621的CMR与频率的关系以及闭环增益与频率的关系.图 13和图14分别示出AD621的增益非线性和小信号脉冲响应.图13. AD621 的增益非线性 G=10, RL=10kQ,垂直刻度：100 a V/div=100ppm/div ,水平刻度2V/div图 14. AD621 的小信号脉冲响应 (G=10 , RL=2 , CL=100pF)1SM1h iSkll-MA-*vs0T41.H二L * E a.步 q E +K 4 M W 4 fl + 工-、,I1- 上 .1t

12、4Ppm/手直分格1 1 1 f 1：(：*fe J.a 考 *(;*+ 明 S0 m -aH .: Vqut . W:O.SV/DIV ：一 1 a q q d i .一一L - - 4 上一= 3.i一一,一图29 . AD627 的增益非线性VS= 2.5V , G=5 , 4ppm/垂直分格图 30. AD627 图的小信号脉冲响应 VS= 5V , G=+10,RL=20, CL=50pF,20a s/ 水平分格,20mV/垂直分格引脚6上的输出电压是相对引脚5上的参考端电位测量的.参考端引脚的阻抗是100kQ.内部ESD箝位二极管允许 AD623的输入端、参考端、输出端和增益端平安

13、地耐受高於或低於电源电压0.3V的过压.对於所有增益,并且在开机或关机时都是这样.对於彳爰一种情况尤其重要,因为信号源和仪表放大器可能是分开供电的.如果预期过压超过这个值, 使用外部限流电阻器, 应该限制流过这些二极管的电流到 10mA o这些电阻器的阻值由仪表放大器的噪声幅度、电源电压以及所需要的过压保护确定.当AD623的增益增加时,会减小它的带宽,由于A1和A2是电压反应运算放大器. 但是,AD623 甚至在较高增益下,它仍有足够的带宽适合许多应用.AD623的增益是通过引脚 1和8之间的RG电阻器或由更精确的其它方法构成的阻抗进行设置 的.图22示出AD623的增益与频率的关系.AD6

14、23使用0.1%1%允许误差的电阻器经过激光微调以到达精确增益.表2示出对应各种增益所需要的RG值.注意,对於 G=1 , RG两端不连接.对於任何任意的增益,RG可使用以下公式计算：RG=100 kQ/ G-1图23示出AD623的CMR与频率的关系.注意在增益增加到100时还具有很高的 CMR ,并且当频率高达200Hz时,在很宽的频率范围内CMR仍然很高.这保证了电源共模信号以及它们的谐波的衰减.图 24示出AD623的增益非线性.图 25示出AD623的小信号脉冲响应.5、低功耗、单电源仪表放大器AD627是一种单电源、微功耗仪表放大器,它仅使用一苹外部电阻器可将增益配置在5和1,00

15、0之间.它采用3V30V单电源提供 R-R输出电压摆幅.它在3V电源工作条件下具有仅 60 aA 典 型值静态电源电流,其总功耗小於 180心W o图26是AD627的原理图.AD627是使用两个反应环路构成的真正仪表放大器.它的通用特性 类似於那些传统的双运放仪表放大器,并且可认为是双运放仪表放大器,但是其内部细节有些不同.AD627采用改良的电流反应电路,与内级前馈频率补偿电路耦合,因而在DC以上特别是50Hz60Hz电源频率的频率条件下具有比其它低功耗仪表放大器更好的共模抑制比CMRR.如图26所示,A1与V1和R5连接构成一个完整的反应环路,迫使流过Q1集电极电流恒定.假设此时不连接增

16、益设置电阻器RG.电阻器R2和R1完成环路并且迫使 A1的输出电压等於具有1.25 几乎精确增益的反向端电压.由A2构成的几乎相同的反应环路迫使一个电流流过Q2,它本质上与流过 Q1的电流相同,并且 A2也提供输出电压.当两个环路都平衡时,从 同向端到VOUT的增益等於5,而从A1的输出到 VOUT的增益等於-4A1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 ,标称值为5,并且具有工厂调整过的0.01%最终精度AD627B典型值.增加一苹外部增益设置电阻器RG将增益提升R4+R1 /RG.AD627的增益由以下公式给出： 从R1到R4的电阻器

17、经过激光微调以保证它们的阻值尽可能接近增益公式中的绝 对值.这保证了在所有实际增益条件下器件具有低增益误差和高CMR o图27示出AD627的CMR与频率的关系. 图28和图29分别示出AD627的增益与频率的关系 以及增益非线性. AD627还具有优良的动态响应,如图 30所示.固阅如反反阅至四、仪表放大器各种非电量的测量, 通常由传感器把它转换为电压或电流信号,此电压信号一般都较弱,最小的到0.1囚,而且动态范围较宽,往往有很大的共模干扰电压.因此,在传感器 后面大都需要接仪表放大器,主要作用是对传感器信号进行精密的电压放大,同时对共模干扰信号进行抑制,以提升信号的质量.由于传感器输出阻抗

18、一般很高,输出电压幅度很小,再加上工作环境恶劣,因此,仪 器放大器与一般的通用放大器相比,有其特殊的要求,主要表现在高输入阻抗,高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声、及高闭环增益稳定性等.本节介绍几种由运算放大器构成的高 共模抑制比仪表放大器一同相串联差动放大器图3-17为一同相串联差动放大器.电路要求两只运算放大器性能参数根本匹配,且在 外接电阻元件对称情况下即 Rl=R4, R2=R3,电路可获得很高的共模抑制比,此外还可以 抵消失调及漂移误差电压的作用.R2R3R4Ui1Ui2图3-17同相串联差动放大器 该电路的输出电压由叠加原理可得Vo =(1R2)Vi1(导(1 打2R1R3R3R4

19、R4=-(1-4)Vi1(1-i)Vi2R3R3二(1-4)(Vi2 - Vi1 )R3从而求得差模闭环增益Vi2 -Vi1R3二同相并联差动放大器图3-18为同相并联差动放大器.该电路与图3-17电路一样,仍具有输入阻抗高、直流效益好、零点漂移小、共模抑制比高等特点,在传感器信号放大中得到广泛应用.Ui1Ui2图3-18同相并联差动放大器由图3-18可知:V01 =ViiIR1V02 - Vi2 1|R2I Vii -Vi2I =R7将I代入Voi, V02可得Vii -Vi2RiRiV01 1二 i2Ri ii L2R7R7R7V02 =Vi2 VVRz =Vi21詈-詈 ViiR7R7R

20、7R5RiR2R5V05V02Vi=i 1-5 * Vi2 -ViiR3R7R3由此可得电路差模闭环增益,y0R7R3该电路假设用一可调电位器代替R7,可以调整差模增益 Ad的大小.该电路要求A3的外接电阻严格匹配,由于 A3放大白是Ai, A2输出之差.电路的失调 电压是由A3引起的,降低 A3的增益可以减小输出温度漂移.三增益线性可调差动放大器图3-19是电压增益可线性调节的差动放大器.可以通过调节电位器 Rw的线性刻度来直接读取电压增益,给使用带来很大的方便.Ui2Uii图3-19增益线性可调差动放大器图3-19中,由叠加原理可得VA 二-V01 = -Vi1R1R2R1 R2R4R3R

21、4R3R5Vb ) V02 V04 = Vi22 V0R3 R4R3 R4R3 R4R3 R4 Rw因Va=Vb,整理上两式,且当R1=R2=R3=R4时,输出电压电路闭环增益Rw r可见,电路增益与 RPw成线性关系,改变 Rw大小不影响电路的共模抑制比四高共模抑制比差动放大器前面讨论的电路中,没有考虑寄生电容、输入电容和输入参数不对称对抑制比的影响.当要求提升交流放大电路的共模抑制比时,这些影响就必须考虑. 在检测和限制系统中, 常用屏蔽电缆来实现长距离信号传输,信号线与屏蔽层之间有不可忽略的电容存在.习惯上采用屏蔽层接地的方法, 这样该电容就成为放大器输入端对地的寄生电容,加上放大器本身

22、的输入电容.如果差动放大器两个输入端各自对地的电容不相等,就会使电路的共模抑制比变坏,测量精度下降.为了消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响,最简单的方法是采用等电位屏蔽的措施,即不把电缆的屏蔽层接地,而是接到与输入共模信号相等的某等电位点上,亦即使电缆芯线与屏蔽层之间处于等电位,从而消除了共模输入信号在差动放大器两端形成的误差电 压.如图3-20所示.+Ec图3-20高共模抑制比差动放大器图中两只电阻R0的连接点电位正好等于输入共模电压,将连接点电位通过 A4电压跟随器连到输入信号电缆屏蔽层上,使屏蔽层电位也等于共模电压.参照同相并联差动放大器的分析可知RiRiV01 =%(1)Vi2R7R

23、7R2R2V02 =Vi2(12)2ViiR7R7当Ri = R2时,可证实连接点电位一 1 1VC = (V01 V02 ) = (Vi1 Vi2 ) 22正好等于共模输入电压,也即是电缆屏蔽层的电位与共模输入电缆芯线电位相等,因此不再因电缆电容的不平衡而造成很大的误差电压.由图3-20还可见,A4的输出端还接到输入运放 A1、A2供电电源iEc的公共端,因此使 其电源处于随共模电压而变的浮动状态,即使正负电源的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同.由于电源对共模电压的跟踪作用,会使共模电压造成的影响大大地削弱.(五)集成仪器放大器在差分放大电路中,电阻匹配问题是影响共模抑制比的主要因素.如果用分立运算放大器来作测量电路,难免有电阻的差异,因而造成共模抑制比的降低和增益的非线性.采用后模工艺制作的集成仪器放大器解决了上述匹配问题,此外集成芯片较分立放大器具有性能优异、体积小、结构简单、本钱低的优点,因而被广泛使用.一般集成仪器放大器具有以下特点：(1)输入阻抗高,一般高于 109白；(2)偏置电流低；(3)共模抑制比高；(4)平衡的差动输入；(5)良好的温度特性(6)增益可调(7)单端输入1. AD620仪表放大器简介图3-21仪表放大电路是由三个放大器所共同组成,其中的电阻R与R需在放大器