2022年ad620用法介绍以及典型电路连接要点

1、- . 单片外表放大器为了满意对更简洁应用的外表放大器的需求,ADI 公司研发出单片 IC 外表放大器； 这些 IC 包含 对如前所述的三运放和双运放外表放大器电路的改良,同时供应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,所以它们能够精细匹配这 保证了器件供应高 CMR ；另外,这些器件在整个温度围保持匹配,从而保证了在宽温度围优良 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供应低本钱、高量产；单片外表放大器的另一个优点是它们可以采纳尺寸微小、本钱极低的 SOIC 或 MSOP 封装, 适合 用於高量产；表 1 供

2、应一个 ADI 公司外表放大器性能快速一览表；图 1. AD8221 原理图一、采纳外表放大器仍是差分放大器尽管外表放大器和差分放大器有很多共性,器；但设计过程的第一步应当是挑选使用何种类型的放大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供应爱护；它们仍将输入共模电压和差分电压减小到可被部减法放大器处理的围；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,外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,应当使用外表放大器；在最高精度、最高信噪比

3、 SNR和最低输入偏置电流二、单片外表放大器部描述1、高性能外表放大器IB是至关重要的应用中,也需要使用外表放大器；- -.可修编 - . - . ADI 公司於 1971 年推出了第一款高性能单片外表放大器 AD520 ,2003 年推出 AD8221 ；这款仪 表放大器采纳超小型 MSOP 封装并且在高於其它同类外表放大器的带宽供应增加的 CMR；它仍 比工业标准 AD620 系列外表放大器有很多关键的性能提高；图 2. AD8221 的引脚排列AD8221 是一种基於传统的三运放构造的单片外表放大器见图 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

4、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 的输出供应正确的电压；从电路构造上,Q1、A1、R1 和 Q2、A2、 R2 可视为精细电流反应放大器；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答应高精细外表放大器具有增益误差典型值小於 20ppm 并且 CMR 超过 90dBG=1 ；图 3. AD8221 的 CMR 与频率的关系- -.可修编 - . - . 图 4. AD8221 的闭环增益与频率的关系图

5、5. AD620 原理图- -.可修编 - . - . 图 6. AD620 的闭环增益与频率的关系AD8221 使用超 输入三极管和一个 IB 补偿电路,它可供应极高的输入阻抗,低 IB,低失调电流 IOS ,低 IB 漂移,低输入 IB 噪声,以及 8nV/ Hz 1/2 极低电压噪声；AD8221 的增益公式为AD8221 采纳细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简洁和精确地设置增益；由於 AD8221 的输入放大器采纳电流反应构造,所以它的增益带宽乘积可以随增益提高,从而构成一个在提高增益时没有电压反应构造的带宽降低的系统；为了甚至在低输入信号幅度条件下也能保持精细度

6、,对 AD8221 的设计和布线采纳了特殊细心的考虑,因而能使外表放大器的性能满意甚至要求最严格的应用见图 3 和图 4；AD8221 采纳特殊的引脚排列使其到达无与伦比的 CMR 技术指标,在 10kHzG = 1 条件下为80dB,在 1kHzG = 1000 条件下为 110dB；平稳的引脚排列,如图 2 所示, 削减了过去对 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引脚；多年来, AD620 已经成为工业标准的高性能、低本钱的外表放大器；AD620 是一种完整的单

7、片外表放大器, 供应 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；依据设计要求,增益 10 和 100 需要的电阻值是标准的 1%金属膜电阻值；- -.可修编 - . - . AD620 见图 5是传统 AD524 外表放大器的其次代产品并且包含一个改良的传统三运放电路；经过激光微调的片薄膜电阻器 R1 和 R2,答应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0.3% 之；单片构造和激光晶圆微调答应电路元器件的精细匹配和跟踪；图 7. AD620 的 CMR 与频率的关系图 8. AD620 的增益非线性G

8、=100, RL=10k , 垂直刻度 : 100 V=10ppm, 水平刻度2V/div - -.可修编 - . - 图 9. AD620 的小信号脉冲响应G=10 , RL=2k ,CL=100pF . 图 10. AD621 原理图由 Q1 和 Q2 构成的前置放大器级供应附加的增益前端；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= R1R2/RG 1；单元增益减法器 A3 排除了任何共模信号,并产生一个相对於

9、REF 引脚电位的单端输出；RG 的值仍打算前置放大器级的跨导；为了供应增益而减小 RG 时,前置放大器级的跨导逐步增加到相应输入三极管的跨导；这有三个主要优点；第一, 随著设置增益增加,开环增益也随著增- -.可修编 - . - . 加,从而降低了增益相对误差；其次,由C1、C2 和前置放大器跨导打算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 仍在宽频率围具有优良的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,输入电压噪声削减到 9nVHz1/2 ,主要由输入

10、器件的集电极电流和基极电阻打算的；部增益电阻器 R1 和 R2 的阻值已经调整到 24.7k ,从而答应只利用一苹外部电阻器便可精确地设置增益；增益公式为这,电阻器RG 以 k 为单位；挑选 24.7k 阻值是以便於可使用标准1%电阻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无需使用外部电阻器；挑选 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；它在规定温度围供应优良的增益稳固性,由于片增益电阻跟踪反应电阻的温度系数 TC；图 10 是 AD621 的原理图； A

11、D621 具有 0.15%最大总增益误差和5ppm/ 增益漂移,它比 AD620 的片精度高出很多；图 11. AD621 的 CMR 与频率的关系- -.可修编 - . - . 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= R1R2/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,

12、 RL=10k ,垂直刻度100 V/div=100ppm/div,水平刻度2V/div - -.可修编 - . - . 图 14. AD621 的小信号脉冲响应图 15. AD8225 原理图2、固定增益外表放大器G=10 , RL=2k ,CL=100pF AD8225 是一种增益为 5 的精细单片外表放大器；图 15 示出它是一个三运放外表放大器；单位增益输入缓冲器由超 NPN三极管 Q1 和 Q2 以及运放 A1 和 A2 组成；这些三极管被补偿以使它们的输入偏置电流极低,典型值为 100pA 或更低；因此,电流噪声也很低,仅 50fA/ Hz 1/2 ；输入缓冲器驱动一苹增益为 5

13、的差分放大器；由于 3k 和 15k 电阻是比率匹配的,所以增益稳定性在额定温度围优於 5ppm/ ；与通常的可变增益外表放大器的单位增益补偿相比,AD8225 具有宽增益带宽乘积,由於它被补偿到 5 倍固定增益； AD8225 创新的引脚排列也提高了高频性能；由於引脚 1 和 8 未用,所以引脚 1 可连接到引脚 4；由於引脚 4 也是 AC 接地,所以平稳了引脚 2 和 3 上的寄生电容；- -.可修编 - . - . 3、低本钱外表放大器AD622 是 AD620 的低本钱版本 见图 5；AD622 采纳改良的生产方法以便以较低本钱供应 AD620的大多数性能；图 18、图 19 和图

14、20 分别示出 AD622 的 CMR 与频率的关系,增益非线性以及闭环增益与频率的关系；图 16. AD8225 的 CMR 与频率的关系图 17. AD8225 的增益非线性- -.可修编 - . - 图 18. AD622 的 CMR 与频率的关系RTI , 01k 源阻抗不平稳 . 图 19. AD622 的增益非线性G=1 , RL=10k ；垂直刻度2 V=2ppm图 20. AD622 的闭环增益与频率的关系- -.可修编 - . - . 图 21. AD623 原理图4、单电源外表放大器单电源外表放大器有一些特殊的设计问题需要解决；输入级必需能够放大处於接地电位或特别接近接地电

15、位的信号, 并且输出级摆幅要能够接近地电位或电源电压,即高於地电位或低於电源电压几个毫伏mV ；低电源电流也很重要；并且,当外表放大器工作在低电源电压时,它需要有足够的增益带宽乘积、低失调电压漂移和优良的 CMR 与增益以及 CMR 与频率的关系；AD623 是一种在三运放外表放大器电路根底上经过改良的外表放大器以保证单电源或双电源工作,甚至能工作在共模电压或者低於负电源电压或单电源工作时,低於接地电位；其它特点包括 R-R 输出电压摆幅,低电源电流,超小型封装,低输入和输出失调电压, V 级 DC 失调电压漂移,高 CMR ,以及仅用一苹外部电阻器设置增益；如图 21 所示,输入信号施加到

16、PNP 三极管作为电压缓冲器和 DC 电平移位器； 在每个放大器 A1和 A2反应路径中采纳一苹精度调整到为这 RG 以 k 为单位；0.1%以的 50k 电阻器保证精确的增益设置；差分输出使用输出差分放大器,将差分电压转换为单端电压,也抑制了输入放大器输出端上的任何共模信号；由於上述全部放大器的摆幅都能到达电源电压的任一端,下,因而进一步提高了 AD623 的摆幅围；应当留意,不像双电源输入电流补偿的外表放大器例如,并且它们的共模围扩展到负电源电压以AD620 , Q1 和 Q2 的基极电流直接流出输入端；由於这两个输入端即Q1 和 Q2 的基极可工作在接地电位即,0V 或更精确- -.可修

17、编 - . - . AD623 的的说,低於接地电位200mV ,所以为AD623 供应输入电流补偿是不行能的；但是,输入偏置电流仍特别小最大值仅25nA；图 22. AD623 的闭环增益与频率的关系图 23. AD623 的 CMR 与频率的关系 VS= 5V- -.可修编 - . - 图 24. AD623 的增益非线性G=-10,50ppm/div . 图 25. AD623 的小信号脉冲响应 G=10 , RL=10k ,CL=100pF - -.可修编 - . - . 图 26. AD627 原理图图 27. AD627 的 CMR 与频率的关系图 28. AD627 的闭环增益与

18、频率的关系- -.可修编 - . - 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=20K ,CL=50pF,20 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 100k ；部 ESD箝位二极管答应 AD623 的输入端、 参考端、输出端和增益端平安地耐受高於或低於电源电压 0.3V 的过压；对於全部增益,并且在开机或关机时都是这样；对於後一种情形特殊重要,由于信号源和外表放大器可能是分开供电的；假如

19、预期过压超过这个值,使用外部限流电阻器,应当限制流过这些二极管的电流到 10mA ；这些电阻器的阻值由外表放大器的噪声幅度、电源电压以及所需要的过压爱护确定；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很多应用；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展设置的；图 22 示出 AD623 的增益与频率的关系；微调以到达精确增益；AD623 使用 0.1%1% 答应误差的电阻器经过激光- -.可修编 - . - RG 值；留意,对於. 表

20、2 示出对应各种增益所需要的G=1 ,RG 两端不连接；对於任何任意的增益, RG 可使用以下公式运算RG=100 k / G-1图 23 示出 AD623 的 CMR 与频率的关系；留意在增益增加到 100 时仍具有很高的 CMR,并且当频率高达 200Hz 时,在很宽的频率围 CMR 仍旧很高； 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、单电源外表放大器AD627 是一种单电源、微功耗外表放大器,它仅使用一苹外部电阻器可将增益配置在 5 和 1,000之间； 它采纳 3V30V 单电源供应

21、R-R 输出电压摆幅；它在 3V 电源工作条件下具有仅 60 A典型值静态电源电流,其总功耗小於 180 W；图 26 是 AD627 的原理图； AD627 是使用两个反应环路构成的真正外表放大器；它的通用特性类似於那些传统的双运放外表放大器,并且可认为是双运放外表放大器,但是其部细节有些不同；AD627 采纳改良的电流反应电路,与级前馈频率补偿电路耦合,因而在 DC 以上特殊是50Hz60Hz 电源频率 的频率条件下具有比其它低功耗外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；假设此时不连接增益

22、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 构成的几乎一样的反应环路迫使一个电流流过Q2,它本质上与流过 Q1 的电流一样,并且 A2 也供应输出电压；当两个环路都平稳时,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 -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 ,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将增益提高R4+R1/RG ；AD6

23、27 的增益由以下公式给出从 R1 到 R4 的电阻器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肯定值；这保证了在全部实际增益条件下器件具有低增益误差和高 CMR ；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 仍具有优良的动态响应,如图 30 所示；四、外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 V,而且动态围较宽,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外表放大器,主要作用是对传感器信号进展精细的电压放大,

24、同时对共模干扰信号进展抑制,以提高信号的质量；由于传感器输出阻抗一般很高,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、及高闭环增益稳固性等；本节介绍几种由运算放大器构成的高共模抑制比外表放大器一同相串联差动放大器- -.可修编 - . - . 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形下即R1=R 4,R2=R 3,电路可获得很高的共模抑制比,此外仍可以抵消逝调及漂移误差电压的作用；Ui1R10R20Ui2R30-R4U0-00

25、R50+0R60+0A1A2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V 0=1R 2 V i1R 4 12R 4 V i2R 1R 3R 3 1R 4 V i1 1R 4R 3 V iR 3 1R 4 V i2V i1R 3从而求得差模闭环增益A dV i2A 0V i11R 4R 3二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；Ui1+00IU01R3-R5U0-R1A3A1R700Ui20-00R4+R6R2U 02+ 0A2图 3-

26、18 同相并联差动放大器由图 3-18 可知：- -.可修编 - . V 01- IR 1. V i1V 02V i2IR 2IV i1V i2R 7将 I 代入 V 01,V 02可得V 01V i1V i1V i2R 1V i1 1R 1R 7.R 1V i211R 7R 7V 02V i2V i1V i2R 2V i2 1R 2R 2R 7V iR 7R7V 0R 5 V 02V 01 1R 1R 2R 5R 3V i2V iR 3R 7由此可得电路差模闭环增益R 1 R 2 R 5 Ad 1 R 7 R 3该电路假设用一可调电位器代替 R7,可以调整差模增益 A d 的大小；该电路要求

27、 A 3 的外接电阻严格匹配,由于 A 3 放大的是 A1,A2输出之差；电路的失调电压是由 A 3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剂的差动放大器；可以通过调剂电位器RW 的线性刻度来直接读取电压增益,给使用带来很大的便利；Ui1+ 000U01R1UA0R20U00-A3A1-00Ui20-00U02R3UB0+ 0A2R4R5RW0-U040+0A4图 3-19 增益线性可调差动放大器- -.可修编 - . - . 图 3-19 中,由叠加原理可得VAR 1R 2R 2V 01R 1R 2R 2V i1R 3R 4R

28、4V i2R 3R 3R 4R 5V 0VBR 3R 4R 4V 02R 3R 3R 4V 04R W因 VA=V B,整理上两式,且当V 0R W V i2V i1R 5电路闭环增益A dR WR 5R1=R 2=R 3=R 4 时,输出电压可见,电路增益与RPW 成线性关系,转变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争论的电路中,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；当要求提高沟通放大电路的共模抑制比时,这些影响就必需考虑；在检测和掌握系统中,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行忽视的电容存在；习惯上采用屏蔽层接地的方法,这样

29、该电容就成为放大器输入端对地的寄生电容,加上放大器本身的输入电容； 假如差动放大器两个输入端各自对地的电容不相等,坏,测量精度下降；就会使电路的共模抑制比变为了排除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响,最简洁的方法是采纳等电位屏蔽的措施,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,从而排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；+E C- +EC.0+00A1.R1U01R3R5U 00-R 0-ECR7.-0A3.Uc00-000+0A40 +-ECA2R2R 0R4R6-.可修编 - . 0-00U 020

30、 +- . 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A 4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V 01V i1 1R 1R 1V i2R 7R 7V 02V2 1R 2R 2V i1R 7R 7当 R1=R 2时,可证明连接点电位V C1 V01V021Vi 1Vi2因此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,不再因电缆电容的不平稳而造成很大的误差电压；由图 3-20 仍可见, A 4的输出端仍接到输入运放 A 1、A 2 供电电源 E C 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 全一样；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减弱；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；假如用分立运算放大 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；采纳后 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、构造简洁、本钱低的优点,因而被广泛使用；一般集成仪器放大器具有