SGM620 低功耗、低噪声、轨到轨输出仪表放大器详解

在电子设计领域，仪表放大器是一种至关重要的器件，它能够对微弱信号进行精确放大，广泛应用于各种测量和监测系统中。今天，我们就来详细探讨一下 SGMICRO 推出的 SGM620 低功耗、低噪声、轨到轨输出仪表放大器。

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一、产品概述

SGM620 是一款高精度、高电压的仪表放大器，其显著特点是仅需一个外部电阻，就能将增益设置在 1 到 10000 的范围内。它的典型静态电流仅为 1.3mA，这使得它在电池供电的应用中表现出色，能够有效延长电池的使用寿命。此外，SGM620 采用了 SOIC - 8 封装，相比传统的离散三运放电路，体积大幅减小，为电路板节省了宝贵的空间。

二、产品特性

2.1 增益设置灵活

通过一个外部电阻，可轻松将增益设置在 1 到 10000 之间，满足不同应用场景的需求。

2.2 高精度性能

具有 120ppm（MAX）的非线性和 150μV（MAX）的低输入失调电压，同时具备低噪声、低偏置电流和低功耗的特性，为需要出色直流性能的应用提供了良好的选择。

2.3 低噪声特性

在 1kHz 时，输入电压噪声低至 6nV/√Hz，输入电流噪声为 (300fA/ sqrt{Hz})，在 0.1Hz 到 10Hz 频段内，电压噪声为 (0.4 mu V_{P - P})，非常适合前置放大器应用。

2.4 快速响应

达到 0.01%的建立时间仅为 10μs，适用于多路复用应用。

2.5 宽电源范围

支持单电源或双电源供电，电源电压范围为 4.6V 到 36V 或 ±2.3V 到 ±18V，具有较强的适应性。

2.6 工作温度范围广

可在 - 40℃到 + 125℃的温度范围内正常工作，能适应各种恶劣的工作环境。

2.7 环保封装

采用绿色 SOIC - 8 封装，符合环保要求。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚配置

SGM620 采用 SOIC - 8 封装，其引脚配置如下：	PIN	NAME	FUNCTION
1, 8	R G	增益设置引脚。通过在 R G 两端放置电阻可设置增益，公式为 (G = 1 + (49.4kΩ/R G))。
2	IN -	反相输入引脚。
3	IN +	同相输入引脚。
4	-V S	负电源引脚。
5	REF	电压参考引脚。可连接低阻抗电压源，以偏移输出电平。
6	OUT	输出引脚。
7	+V S	正电源引脚。

3.2 引脚功能说明

• 增益设置引脚（RG）：这是 SGM620 实现灵活增益设置的关键引脚。通过改变外部电阻的阻值，就可以方便地调整放大器的增益。
• 输入引脚（IN - 和 IN +）：用于输入需要放大的信号。反相输入引脚和同相输入引脚共同作用，实现对差分信号的放大。
• 电源引脚（+V S 和 -V S）：为放大器提供所需的电源，确保其正常工作。
• 参考引脚（REF）：可以通过连接低阻抗电压源，来调整输出信号的电平，使输出信号满足不同的应用需求。
• 输出引脚（OUT）：输出经过放大处理后的信号。

四、电气特性

4.1 增益特性

增益范围为 1 到 10000，增益误差在不同增益和温度条件下有所不同。例如，在 (G = 10) 且 (T_{A}= + 25℃) 时，增益误差为 0.15%到 0.3%。增益温度系数也会随着增益的变化而有所不同，在 (G = 100) 时，增益温度系数为 0.6ppm/℃。

4.2 失调特性

输入失调电压在 (V{S}= ±5V) 到 ±15V 且 (T{A}= + 25℃) 时，最大为 150μV。输入失调电压漂移和输出失调电压漂移也有相应的指标，这些指标对于高精度测量应用非常重要。

4.3 共模抑制比（CMRR）

在不同增益和输入条件下，CMRR 表现良好。例如，在 (G = 10) 且 (V_{CM}= - 10V) 到 + 10V 时，典型值为 105dB。

4.4 输入输出特性

输入阻抗包括差模输入阻抗和共模输入阻抗，在 (T{A}= + 25℃) 时，差模输入阻抗为 10GΩ，共模输入阻抗为 10GΩ。输入电压范围在不同电源电压下有所不同，输出电压摆幅在 (R{L}= 2kΩ) 且 (V_{S}= ±18V) 时，有相应的指标。

4.5 动态响应特性

小信号 - 3dB 带宽在不同增益下有所变化，例如在 (G = 10) 时，带宽为 1000kHz。压摆率在 (V{OUT}= 1V{P - P}) 阶跃且 (G = 1) 时，为 1.2V/μs。建立时间到 0.01%在不同增益下也有不同的值，如 (G = 1) 到 100 时为 10μs。

4.6 噪声特性

输入电压噪声密度在 (f = 1kHz) 时为 6nV/√Hz，输出电压噪声密度在 (f = 1kHz) 时为 80nV/√Hz。在 0.1Hz 到 10Hz 频段内，不同增益下的电压噪声也有相应的指标。

五、典型性能特性

5.1 PSRR 与频率关系

PSRR（电源抑制比）随频率的变化曲线显示，在不同增益下，PSRR 表现不同。一般来说，随着频率的增加，PSRR 会逐渐下降。

5.2 CMRR 与频率关系

CMRR（共模抑制比）与频率的关系曲线表明，在低频段，CMRR 较高，随着频率的升高，CMRR 会逐渐降低。

5.3 增益与频率关系

增益随频率的变化曲线显示，在不同增益下，放大器的带宽不同。增益越高，带宽越窄。

5.4 输入电压噪声密度与频率关系

输入电压噪声密度随频率的变化曲线显示，在低频段，噪声密度相对较高，随着频率的增加，噪声密度会逐渐降低。

5.5 输入共模电压与输出电压关系

输入共模电压与输出电压的关系曲线展示了放大器在不同共模输入电压下的输出特性。

六、工作原理

SGM620 基于经典的三运放结构进行了改进，是一款整体式仪表放大器。其高精度输入由两个输入晶体管 Q1 和 Q2 提供，这使得输入引脚的偏置电流降低至原来的 1/10。Q1 和 Q2 的恒定集电极电流由两个环路 Q1 - A1 - R1 和 Q2 - A2 - R2 维持，从而使输入电压施加在放大器的增益设置电阻 (R{G}) 上。A1/A2 输出的差分增益可以表示为 (G = 1 + (R{1}+R{2}) / R{G})。单位增益减法器（A3）可以抑制共模信号，使 SGM620 在 REF 引脚偏置的情况下产生单端输出。

七、应用信息

7.1 压力测量

SGM620 广泛应用于电桥测量，如称重秤中的压力测量。由于其高输入阻抗，它也适用于检测高电阻的压力传感器。在一个由 5V 单电源供电的 5kΩ 压力传感器电桥电路中，电桥仅消耗 1mA 电流，缓冲分压器和 SGM620 可以对输出信号进行调理，典型供电电流为 3.3mA。其小尺寸的优势对于压力传感器非常有吸引力，同时由于其低噪声和低漂移特性，还可用于无创血压测量等诊断应用。

7.2 医疗 ECG 放大器

由于 SGM620 具有低电流噪声的优势，它可用于心电图（ECG）监测器中，特别是当源电阻达到 1MΩ 或更高时。在电池供电的数据记录器中，SGM620 是最佳选择，因为它可以在低电源电压、低功耗和节省空间的封装条件下工作。此外，结合其低电压噪声、低电流和低偏置电流的优势，可以提高 SGM620 的动态范围。通过电容 (C_{1}) 可以维持右腿驱动环路的稳定性，同时为了保护患者免受可能的伤害，应在患者和电路部分之间添加隔离保护措施。

7.3 精密 V - I 转换器

利用一个 SGM620、另一个运算放大器和两个电阻，可以轻松实现一个精密电流源。为了获得更好的 CMRR，应在 REF 引脚和放大器的 OUT 引脚之间放置一个缓冲器。电路的输出电流可以通过相应的公式计算得出。

7.4 输入和输出失调电压

SGM620 的低误差主要由输入和输出误差两个主要来源导致。当参考输入时，输出误差应除以仪表放大器的增益。在大增益时，输入误差占主导地位；在小增益时，输出误差占主导地位。

7.5 参考端子

参考端子的电位定义了零输出电压。当负载未连接到系统其余部分的精确地时，参考端子非常有用。它提供了一种将精确电压偏置到输出的方法，参考电压应在电源电压范围内的 2V 以内。为了保持更好的 CMRR，该引脚的寄生电阻应较低。

7.6 增益选择

仪表放大器的增益由外部电阻 (R{G}) 决定。外部电阻 (R{G}) 的精度很重要，因为它可能会影响增益误差。建议选择精度为 0.1%或 1%的电阻。此外，为了避免 SGM620 的增益漂移，选择 (R_{G}) 时需要低温度系数（TC），如 1ppm/℃。

7.7 RF 干扰

仪表放大器的一个特点是能够整流带外的小信号，这种干扰可以描述为小偏置电压。可以通过在仪表放大器的输入位置放置 R - C 网络来过滤所有高频分量。电容 (C{D}) 影响差分信号的质量，而 (C{C}) 影响共模信号的质量。为了减少对 CMRR 的负面影响，建议 (C{D}) 的电容值是 (C{C}) 的 10 倍。

7.8 共模抑制

仪表放大器的共模抑制比很高，因为它可以测量两个输入之间的差分信号，即使 IN + 和 IN - 同时增加或减少。为了获得最佳的 CMRR，建议将 REF 引脚连接到低阻抗输入，并且两个输入之间的阻抗差异应尽可能小。使用屏蔽电缆可以有效降低电路噪声，并应正确驱动以获得更好的 CMRR 值。

7.9 接地隔离

为了解决接地问题，REF 引脚应连接到“本地地”，因为仪表放大器的输出是通过 (V_{REF}) 偏置的。由于数字电路的噪声环境，数据采集组件（如 ADC）有 AGND 和 DGND 两个引脚。可以使用单线或 0Ω 电阻进行隔离，但每个接地返回应分开，以最小化敏感点的电流流动。模拟和数字之间的接地返回应在一点连接。

7.10 偏置电流接地返回

仪表放大器输入级的晶体管需要偏置电流（(I_{B})）来工作和偏置，因此为偏置电流设计接地返回路径是必要的。例如，对于放大器的浮动输入（如交流耦合变压器），应在输入和地之间设置一条电气线路，以实现偏置电流的接地返回。

八、总结

SGM620 作为一款高性能的仪表放大器，具有增益设置灵活、高精度、低噪声、低功耗等诸多优点，适用于多种应用场景。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择增益、处理输入输出失调电压、抑制 RF 干扰和提高共模抑制比等，以充分发挥 SGM620 的性能优势。你在使用 SGM620 或其他仪表放大器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。