AD620的工作原理(含AD620引脚图及功能_电气特性及应用电路)

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  一、AD62​0简介

  AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,仅需要一个外部电阻来设置增益,增益范围为1至10,000。此外,AD620采用8引脚SOIC和DIP封装,尺寸小于分立电路设计,并且功耗更低(最大工作电流仅1.3mA),因而非常适合电池供电及便携式(或远程)应用。

  AD620具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50HV)和低失调漂移(最大0.6HV/。C)特性,是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外,AD620还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性,使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。

  由于其输入级采用Super[3eta处理,因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nVA/Hz的低输入电压噪声,在0.1Hz至10Hz带宽上的噪声为0.28HV峰峰值,输入电流噪声为O.lpAA/Hz,因而作为前置放大器使用效果很好。AD620还非常适合多路复用应用,其0.01%建立时间为15us,而且成本很低,足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

  二、电气特性及参数

  2.1特性:

  1)易于使用

  增益通过一个外部电阻设置

  (增益范围:1至10,000)

  宽电源电压范围(±2.3V至+18V)

  性能高于3运放分立仪表放大器设计

  采用8引脚DIP和SOIC封装

  低功耗,最大工作电流1.3mA

  2)出色的直流性能(B级)

  输入失调电压:50VV(最大值)

  输入失调漂移:0.6yV/。C(最大值)

  输入偏置电流:1.0nA(最大值)

  共模抑制比:100dB(最小值,G=10)

  3)低噪声

  输入电压噪声:9nV/yHz(1kHz)

  0.28yV峰峰值噪声(O.lHz至10Hz)

  4)出色的交流特性

  带宽:120kHz(G=100)

  0.01%建立时间:15¨s

  2.2参数:

  1)推荐值

  电源电压:±15V;

  电源电流:0.9mA;

  短路电流:±18mA;

  转换速率:1.5V/μs;

  工作温度(C级):-40~85℃。

  2)极限值

  电源电压:±18.0V;

  存贮温度(C级):-65~150℃;

  内部功耗:650mW;

  共模输入电压:±VS;

  差模输入电压:±25V;

  输出短路持续时间:无限制。

  2.3绝对最大额定值

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  三、引脚图

  AD620引脚图如图所示

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  四、工作原理

  AD620是一款单芯片仪表放大器,采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值,用户只需一个电阻便可实现对增益的精确编程(G=100时精度可达0.15%)。单芯片结构和激光晶圆调整允许对电路元件进行严格匹配与跟踪,从而可确保此电路本身具有的高性能特性

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  输入晶体管Ql和Q2提供一路高精度差分对双极性输入(图38),同时由于采用Super6eta处理,因此输入偏置电流减小10倍。反馈环路Ql-Al-Rl和Q2-A2-R2使输入器件Ql和Q2的集电极电流保持恒定,从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻Re上。这样就产生了从输入至Al/A2输出的差分增益,其计算公式为G=(R1+R2)/Re+1。单位增益减法器A3用来消除任何共模信号,以获得折合到REF引脚电位

  的单端输出。Re值还可决定前置放大器级的跨导。当减小Re以获得更大增益时,该跨导将渐近增大输入晶体管的跨导。这会带来三大好处:(a)开环增益提升以提供更大的编程增益,从而减小与增益相关的误差;(b)增益带宽积(由Cl、C2和前置放大器跨导决定)随着编程增益提高增大,从而优化频率响应;(c)输入电压噪声降至9nVA/Hz,它主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定。内部增益电阻Rl和R2已调整至绝对值24.7kQ,因此利用一个外部电阻便可实现对增益的精确编程。

  增益公式为:

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  增益选择

  AD620的增益通过电阻Re进行编程,或者更精确地说,通过引脚1与引脚8之间存在的任何阻抗进行编程。AD620旨在用0.1%至1%电阻提供精确的增益。表4列出了各种增益所要求的Re值。注意,对于G=l,Re引脚不连接(RG=。。)。对于任意增益,可用下式计算RG:

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  为使增益误差最小,应避免产生与Re串联的高寄生电阻;为使增益漂移最小,Re应具有低温度系数TC(小于10ppm/。C)才能获得最佳性能。

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  输入与输出失调电压

  AD620的低误差可以归结于两个来源:输入误差与输出误差。输出误差折合到输入端时需除以G。实际上,高增益时以输入误差为主,低增益时以输出误差为主。给定增益的总VOs计算如下:

  折合到输入端(RTI)总误差=输入误差+(输出误差/G)

  折合到输出端(RTO)总误差=(输入误差xG)+输出误差

  基准引脚

  基准驯脚电位定义零输出电压。而且当负载不与系统其余部分共享精确地电位时,基准引脚电位就特别有用:一种向输出提供精确偏移电压的直接途径,容许范围为电源电压以内2V。为了获得最佳的共模抑制(CMR),应使寄生电阻保持最小。

  输入保护

  AD620的输入端配有400Q串联薄膜电阻,可以安全可靠地承受最高+15V或+60mA的输入过载数小时。此特性适用于所有增益及上电、断电过程,在信号源与放大器采用不同电源分别供电时尤其重要。对于更长的时间,电流不应超过6mA(IIN≤VIN/400Q)。对于超出电源的输入过载,将输入钳位至电源(用FD333之类低泄漏二极管)可以降低所要求的电阻值,从而获得较低的噪声。

  射频(RF)干扰

  所有仪表放大器都会对带外小信号进行整流。这种干扰可能会表现为较小的直流电压失调。高频信号可以通过仪表放大器输入端的低通R-C网络滤除。图43说明了这种配置。滤波器根据以下关系式对输入信号加以限制:

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  其中CD>10CC。CD影响差动信号。Ce影响共模信号。RxCe的任何不匹配均会降低AD620的CMRR(共模抑制比)性能。为了避免无意中降低CMRR-带宽性能,需确保CC比CD至少小一个数量级。CD:CC叱值越大,不匹配Ce的影响越小。

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  共模抑制

  共模抑制(CMR)是仪表放大器的两路输入发生等量变化时对输出电压变化的量度,诸如AD620等仪表放大器都能够提供高CMR。这些技术规格通常针对全范围输入电压变化和特定非均衡信号源。为获得最佳CMR,基准引脚应与低阻抗点相连,并且两路输入之间的电容和电阻差异应保持最小。许多应用都利用屏蔽电缆来尽可能降低噪声;为获得最佳的CMR随频率变化的性能,应对屏蔽进行适当的驱动。如图44和图45所示,其中的有源数据防护配置可改善交流共模抑制,它通过“自举(bootstrapping)输入电缆屏蔽的电容,从而使输入之间的电容不匹配降至最低。

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  接地

  由于AD620的输出电压是相对于基准引脚上的电位而言,因此只需将REF引脚连至相应的“局部接地”便可解决许多接地问题。

  为了在高噪声数字环境中隔离低电平模拟信号,许多数据采集元件都配有单独的模拟接地引脚和数字接地引脚(图46)。采用一路接地线会很方便,但是,通过电路接地线和PC线路的电流可能会引起数百毫伏的误差。因此应提供分开的接地回路,使得从敏感点流至系统接地的电流最小。这些接地回路必须在某点连在一起,通常最好在ADC封装上,如图46所示。

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  输入偏置电流回路

  输入偏置电流是指使放大器的输入晶体管偏置所必需的电流。这些电流必须具有直接返回路径。因此,当放大变压器或交流耦合源等“浮动”输入源时,从各输入端至地必须有直流路径,如图47、图48和图49所示。
 

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  五、应用电路

  1、自制与购买:典型桥式电路应用误差预算

  AD620提供优于“自制”三运放仪表放大器设计的性能,同时具有较小的尺寸、较少的元件和低10倍的工作电流。在图39所示的典型应用中,要求增益为100,在-40。C至+85。C的工业温度范围内放大20mV满量程桥式电路输出。表3列出了如何计算各种误差源对电路精度的影响。

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  无论用于何种系统,AD620都能以更低功耗和更低成本提供更高的精度。在简单的系统中,绝对精度和漂移误差显然是最重要的误差来源。在含有智能处理器的较复杂系统中,自动增益/自动归零周期将消除所有的绝对精度和漂移误差,仅留下增益、非线性度和噪声的分辨率误差,因此可以获得完全14位精度。

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  图39自制与购买

  请注意,对于自制电路,输入电压失调和噪声的OP07技术规格已乘以√2。这是因为三运放型分立仪表放大器有两个运放在其输入端,二者均对总输入误差有影响。

  2、压力测量

  AD620除了可用于电子秤等许多桥式电路应用之外,还特别适合采用低电压供电的大电阻压力传感器。在这些应用中,小尺寸和低功耗特性变得更加重要。

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  图采用5v单电源供电的压力监测仪电路

  图显示了一个3kll压力传感器电桥,它采用5V电源供电,电桥功耗仅为1.7mA。增加AD620和缓冲分压器后便可对信号进行调理,总电源电流仅3.8mA。小尺寸和低成本优势使AD620对电压输出压力传感器极具吸引力。由于其低噪声和低漂移特性,因此它也适合诊断性无创血压测量等应用。

  3、医用ECG

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  AD620具有低电流噪声特性,因此可用于信号源电阻常常高达1MQ乃至更大的ECG监测仪(图41)。AD620的功耗和电源电压均可很低,并且采用节省空间的8引脚微型DIP和SOIC封装,因而是电池供电式数据记录器的绝佳选择。此外,AD620的低偏置电流和低电流噪声特性与低电压噪声特性相结合,可提高动态范围,确保获得更好的性能。适当选择电容Cl的值,则可使右侧驱动环路保持稳定。此电路必须增加绝缘等适当的安全措施,以避免患者可能受到伤害。

  4、精密v-i转换器

  AD620与一个运算放大器和两个电阻相结合,便可构成一个精密电流源(图42)。该运算放大器为基准引脚提供缓冲,以确保良好的共模抑制(CMR)性能。AD620的输出电压V。出现在电阻Rl,后者将其转换成电流。此电流仅减去运算放大器的输入偏置电流后,便流向负载。

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  六、封装

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