低功耗仪器放大器AD8236：特性、应用与设计要点

作为电子工程师，在设计各类电子设备时，选择合适的放大器至关重要。今天要给大家介绍的是Analog Devices推出的一款低功耗仪器放大器——AD8236，它在很多方面都有着出色的表现。

文件下载：AD8236.pdf

一、AD8236的特性亮点

1. 低功耗设计

AD8236的最大电源电流仅为40μA，这一特性使其在电池供电的应用中具有显著优势，能够有效延长设备的续航时间。比如在一些便携式医疗设备中，低功耗意味着可以减少电池的更换频率，提高设备的使用便利性。

2. 低输入电流

其输入偏置电流低至1pA，输入失调电流为0.5pA。低输入电流可以减少信号源的负载效应，提高测量的准确性，对于一些高阻抗信号源的应用场景非常适用。

3. 高共模抑制比（CMRR）

在增益G = 100时，CMRR可达110dB。高CMRR能够有效抑制共模信号的干扰，提高放大器对差模信号的放大能力，保证输出信号的质量。

4. 零输入交越失真

采用创新的输入级设计，实现了宽轨到轨输入电压范围，且没有其他设计中常见的交越失真问题。这使得放大器在处理各种输入信号时都能保持良好的线性度。

5. 轨到轨输入和输出

支持轨到轨的输入和输出，能够充分利用电源电压范围，提供更大的动态范围，适用于各种低电压供电的应用。

6. 单电阻设置增益

通过在RG引脚之间连接一个电阻，就可以方便地设置放大器的增益，计算公式为 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 。这种简单的增益设置方式提高了设计的灵活性。

7. 宽电源电压范围

可在1.8V至5.5V的电源电压下工作，能够适应不同的电源环境，为设计提供了更多的选择。

二、应用领域广泛

1. 医疗仪器

在医疗仪器领域，如心电图监测仪、心率监测仪等，AD8236的低功耗、高CMRR和低输入电流等特性使其能够准确地测量生物电信号，同时减少对患者的负担。

2. 低端电流检测

在一些需要进行电流检测的应用中，如电池管理系统、电源监测等，AD8236可以有效地检测微小的电流变化，并且由于其低功耗特性，不会对系统的整体功耗产生太大影响。

3. 便携式设备

对于各种便携式电子设备，如智能手机、平板电脑等，AD8236的小尺寸和低功耗特点使其成为理想的选择，能够在有限的空间和电池容量下实现高性能的信号放大。

三、电气性能参数

1. 共模抑制比（CMRR）

不同增益下的CMRR表现不同，例如在G = 5时，DC CMRR为86 - 94dB；G = 100时，可达100 - 110dB。CMRR会随着增益的增加而提高，这有助于在不同增益设置下更好地抑制共模干扰。

2. 噪声性能

电压噪声谱密度在f = 1kHz、G = 5时为76nV/√Hz，0.1Hz至10Hz的峰 - 峰值噪声在G = 5和G = 200时均为4μVp - p，电流噪声为15fA/√Hz。低噪声性能保证了放大器在处理微弱信号时的准确性。

3. 电压失调

输入失调电压VOS为3.5mV，平均温度系数（TC）在 - 40°C至 + 125°C范围内为2.5μV/°C。电压失调会影响放大器的输出精度，而较低的温度系数可以减少温度变化对失调电压的影响。

4. 输入电流

输入偏置电流在常温下为1 - 10pA，在 - 40°C至 + 85°C和 - 40°C至 + 125°C的过温情况下分别为100pA和600pA；输入失调电流在常温下为0.5 - 5pA，过温情况下会有所增加。

5. 动态响应

小信号带宽和建立时间与增益有关。例如，G = 5时，小信号带宽为23kHz，0.01%建立时间为444μs；G = 200时，小信号带宽为0.4kHz，建立时间为1816μs。了解动态响应参数有助于在不同的应用场景中选择合适的增益设置。

6. 增益特性

增益范围为5至200（虽然规格书中只列出了低到中增益，但增益可以设置超过200），增益误差在不同增益下有所不同，如G = 5时，增益误差为0.005 - 0.05%。增益的非线性度在不同增益和负载电阻下也有相应的指标，例如G = 5、RL = 10kΩ或100kΩ时，非线性度为2 - 10ppm。

四、工作原理

AD8236是一款单片2运放仪器放大器，其简化原理图展示了内部的电路结构。它通过放大正输入（+IN）和负输入（ - IN）之间的差值来实现信号放大，REF引脚可以用于对输出信号进行电平偏移，方便与后续的滤波器或模数转换器（ADC）接口。其输出电压计算公式为 (V_{OUT }=G times(VINP - VINM)+VREF) 。

增益设置通过在RG引脚之间连接电阻来实现，默认增益G = 5。当需要设置其他增益时，可以根据公式 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 计算所需的电阻值。

五、布局与设计要点

1. 电路板布局

在进行电路板布局时，要特别注意避免在输入路径下方放置金属，以减少漏电流，充分发挥AD8236低输入偏置电流的优势。

2. 参考端子（REF）

REF引脚是输出信号的参考点，为了确保输出的准确性，REF引脚的走线应连接到AD8236的本地接地或参考本地接地的电压。同时，为了获得最佳性能，应保持REF引脚的源阻抗较低，以避免寄生电阻对CMRR和增益精度的影响。

3. 电源供应

虽然AD8236具有较高的电源抑制比（PSRR），但为了获得最佳性能，仍应使用稳定的直流电压为其供电。在电源引脚附近应放置0.1μF的旁路电容，进一步远离器件的位置可以使用10μF的钽电容进行去耦。

4. 输入保护

AD8236的所有引脚都具有ESD保护功能，输入结构可以承受一定的直流过载条件。但为了限制高于正电源的电压电流，应在每个输入串联一个外部电阻。对于遇到极端过载电压的应用，还需要使用外部串联电阻和低泄漏二极管钳位。

5. RF干扰处理

由于AD8236的每个输入具有3.1pF的栅极电容，匹配的串联电阻可以形成自然的低通滤波器，减少高频整流问题。如果需要消除高频共模信号，可以在放大器的输入处放置一个低通RC网络。

六、应用案例分享

1. AC耦合仪器放大器

通过在反馈中连接一个积分器，可以创建一个高通滤波器，用于拒绝直流电压和偏移。当信号频率超过高通滤波器的截止频率时，AD8236输出经过高通滤波的输入信号。

2. 低功耗心率监测仪

AD8236在低功耗心率监测仪中表现出色。它可以测量人体的生物电位信号，抑制共模信号，并作为初级增益级。后续的电路可以进一步处理信号，如通过高 - 低通滤波器和抗混叠滤波器，最终将信号输入到ADC进行数字化处理。

七、总结

AD8236作为一款低功耗、高性能的仪器放大器，在医疗仪器、便携式设备等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关产品时，可以充分利用其低功耗、高CMRR、零输入交越失真等特性，但同时也要注意电路板布局、电源供应、输入保护等设计要点，以确保放大器能够发挥最佳性能。大家在实际应用中有没有遇到过类似放大器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。