SGM621：低功耗、低噪声的轨到轨输出仪表放大器

在电子设计领域，一款性能出色的仪表放大器对于许多应用来说至关重要。今天我们就来详细探讨一下SGMICRO公司的SGM621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

SGM621是一款高精度、高电压的仪表放大器，它具有诸多优秀特性，使其在众多应用场景中表现出色。通过一个外部电阻，它可以设置从1到10000的任意增益。其典型静态电流仅为1.3mA，低功耗的特性使其非常适合电池供电的应用。此外，SGM621提供SOIC - 8和MSOP - 8封装，相比传统的离散三运放电路，体积更小。

它还具备120ppm（最大值）的非线性和150μV（最大值）的低输入失调电压，同时拥有低噪声、低偏置电流和低功耗的特点，这些特性的组合使其成为需要出色直流性能应用的理想选择。在噪声方面，它在1kHz时提供6nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频段内为0.4μV（峰 - 峰值），非常适合前置放大器应用。10μs的0.01%建立时间也使其适用于多路复用应用。

二、产品特性

1. 增益设置

通过单个外部电阻即可设置增益，范围从1到10000，为设计提供了极大的灵活性。

2. 输入特性

• 输入失调电压最大为150μV，输入偏置电流典型值为15nA，保证了输入信号的准确性。
• 共模抑制比在增益G = 10时典型值为105dB，有效抑制共模信号干扰。

  3. 噪声性能

• 1kHz时输入电压噪声为6nV/√Hz，0.1Hz至10Hz电压噪声为0.4μV（峰 - 峰值），低噪声特性使其在微弱信号放大中表现出色。

  4. 带宽与建立时间

  带宽在增益G = 100时为140kHz，10μs的0.01%建立时间满足快速响应的需求。

  5. 输出特性

  轨到轨输出，支持单电源或双电源供电，电源电压范围为4.6V至36V或±2.3V至±18V，适应不同的电源环境。

  6. 功耗与温度范围

  低电源电流典型值为1.3mA，工作温度范围为 - 40℃至 + 125℃，适用于各种恶劣环境。

  7. 封装形式

  提供绿色SOIC - 8和MSOP - 8封装，符合环保要求。

三、应用领域

1. 精密电流测量

在需要高精度测量电流的场合，SGM621的高精度和低噪声特性可以确保测量结果的准确性。

2. 压力测量

在压力传感器应用中，由于其高输入阻抗，适合检测高电阻的压力传感器。例如在一个5V单电源供电的5kΩ压力传感器桥电路中，SGM621可以很好地处理输出信号，且电路功耗较低。

3. 医疗ECG放大器

低电流噪声的优势使其适用于心电图监测仪。在电池供电的数据记录器中，SGM621可以在低电源电压、低功耗和节省空间的封装条件下工作。同时，通过合理设计电路，如利用电容维持右腿驱动环路的稳定性，并添加隔离保护措施，可以更好地保护患者安全。

4. 精密V - I转换器

利用一个SGM621、另一个运算放大器和两个电阻，很容易实现一个精密电流源。为了获得更好的共模抑制比，需要在REF引脚和放大器的OUT引脚之间放置一个缓冲器。

四、工作原理

SGM621基于经典的三运放结构进行改进，是一个整体的仪表放大器。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了10倍。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，输入电压被施加在放大器的增益设置电阻RG上。A1/A2输出的差分增益可以表示为 (G = 1 + (R1 + R2)/RG) ，而单位增益减法器（A3）可以抑制共模信号，使SGM621在REF引脚偏置的情况下产生单端输出。

前置放大器的跨导由RG的电阻值决定。当RG的电阻值减小时，跨导会逐渐增加到输入晶体管的跨导，带来以下好处：

• 提高开环增益可以增加编程增益，从而减少增益相关误差。
• 由两个电容C1、C2和前置放大器跨导决定的增益带宽积会随着编程增益的增加而增加，从而增强频率响应。
• 将输入电压噪声降低到6nV/√Hz，这由输入的基极电阻和集电极电流决定。

SGM621内部的集成电阻R1和R2设置为24.7kΩ，因此可以通过外部电阻RG来编程增益，增益方程为 (G=frac{49.4 k Omega}{R{G}}+1) ， (R{G}=frac{49.4 k Omega}{G - 1}) 。

五、应用注意事项

1. 输入和输出失调电压

输入和输出误差是导致SGM621低误差的两个主要来源。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。总输入参考误差（RTI） = 输入误差 + （输出误差/G），总输出参考误差（RTO） = （输入误差 × G） + 输出误差。

2. 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。此外，为了保持良好的共模抑制比，该引脚的寄生电阻应较低。

3. 增益选择

仪表放大器的增益由外部电阻RG决定。RG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。同时，为了避免SGM621的增益漂移，RG的温度系数（TC）应低至1ppm/℃。

4. RF干扰

仪表放大器的一个特点是能够整流带外小信号，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。滤波频率方程为 (FilterFreq {DIFF }=frac{1}{2 pi R(2 C{D}+C{c})}) 和 (FilterFreq {CM}=frac{1}{2 pi RC{C}}) ，其中 (C{D} ≥10 C_{C}) 。CD影响差分信号的质量，CC影响共模信号的质量。为了减少负面影响并获得良好的共模抑制比，建议CD的电容值应比CC大10倍。

5. 共模抑制

仪表放大器的共模抑制比很高，能够测量两个输入之间的差分信号。为了获得最佳的共模抑制比，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共模抑制比值。

6. 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由VREF偏置的。由于数字电路的噪声环境，数据采集组件（如模数转换器）有AGND和DGND两个引脚。可以使用单根线或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。模拟和数字接地返回应在一点连接。

7. 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（IB）来工作和偏置，因此需要为偏置电流设计一个接地返回路径。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线，以实现偏置电流的接地返回。

六、封装信息

SGM621提供SOIC - 8和MSOP - 8封装，文档中详细给出了这两种封装的外形尺寸、推荐焊盘尺寸、编带和卷盘信息以及纸箱尺寸等。这些信息对于电路板设计和生产非常重要，工程师可以根据实际需求选择合适的封装形式。

SGM621以其优秀的性能和丰富的特性，在精密测量、医疗设备等多个领域都有广泛的应用前景。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用场景和需求，合理选择增益、处理输入输出误差、抑制干扰等，以充分发挥SGM621的优势。你在使用类似仪表放大器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。