具有最优共模抑制性能的可变增益仪用放大器AD8221及其应用

摘要：目前市场上大部分仪用放大器的共模抑制比在200Hz处就开始衰减，因而难以满足某些设计要求，而美国ADI公司推出的增益可编程高性能仪用放大器AD8221，则能提供工业上最高的共模抑制比。AD8221在其增益为１时，能够在频率为10kHz处保持大于80dB的共模抑制比，因而能很好的抑制宽带干扰和线性失真。文中介绍了AD8221的主要特点、工作原理以及引脚排列和功能，同时给出了AD8221的几种应用电路的设计方法。 关键词：共模抑制比；AD8221；可变增益；仪用放大器 １　概述 很多电子系统都需要对输入模拟信号进行检测。由于在其传感器接口电路中常采用差分输入方式，因而在系统的两个输入端难免会引入共模干扰信号，且该共模干扰电压一般都比较大，这种干扰信号在信号输入电路参数不对称时会转化为差模干扰并对测量系统产生影响，其影响的大小直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。共模抑制比ＣＭ-ＲＲ是衡量测量系统对共模干扰抑制能力的参数，通常被定义为作用于系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模信号之比。ＣＭＲＲ值越高，说明系统对共模干扰的抑制能力越强。因此， 为了提高测量系统的抗干扰性能，在设计高精度电路时，应选用高共模抑制比的运放来构成系统的传感器接口电路。 理想运放的ＣＭＲＲ值应该是无穷大的，但大多数集成运算放大器的ＣＭＲＲ值实际上在８０ｄＢ以上。目前市场上所有的仪用放大器的共模抑制比在２００Ｈｚ处就开始衰减，因而不能满足某些系统在宽带干扰抑制方面的应用要求。 ＡＤ８２２１是美国ＡＤＩ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ）公司２００３年推出的增益可编程高性能仪用放大器，该放大器的突出优点是其优异的共模抑制性能。当增益为１时，ＡＤ８２２１能够在各级保持最小８０ｄＢ的共模抑制比，直至频率达到１０ｋＨｚ，因此，它能够抑制宽带共模干扰，从而可有效解决上述问题。ＡＤ８２２１主要有如下特点： ●具有优异的交流特性，共模抑制比高，当Ｇ为１Ｖ／Ｖ时，共模抑制比最小为８０ｄＢ并将保持至１０ｋＨｚ；此外，ＡＤ８２２１还具有很宽的带宽，当Ｇ为１Ｖ／Ｖ时，－３ｄＢ处的频率为８２５ｋＨｚ； ●具有优异的直流特性，最大输入失调电压为２５μＶ；最大输入失调电压温漂为０．３μＶ／℃；最大失调电流为０．４ｎＡ。 ●噪声低，当其工作频率为１ｋＨｚ时，ＡＤ８２２１放大器的最大输入电压噪声为８ｎＶ／√Ｈｚ；而在频率为０．１Ｈｚ～１０Ｈｚ时，ＡＤ８２２１仅存在０．２５μＶ的点对点输入噪声。 ●增益可以编程设置，从而为用户提供了较大的使用灵活性。增益可由单一电阻进行控制且精度很高，其可编程范围为１～１０００Ｖ／Ｖ； ●采用８引脚ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ两种封装，其中ＭＳＯＰ所占电路板空间是ＳＯＩＣ的一半，因而是多通道或节省空间应用的理想器件； ●既可单电源供电也可双电源供电，电源电压范围为%26;#177;２．３Ｖ～%26;#177;１８Ｖ，特别适合%26;#177;１０Ｖ输入电压的应用情况； ●可以在－４０℃～＋１２５℃的温度范围内正常工作。 ＡＤ８２２１可广泛用于精确数据采集、生物医学信号分析和航空航天仪器系统中。由于它具有低失调电压、低失调电压温漂、低增益漂移、高增益精度等特点，因而非常适用于要求直流特性比较高的应用领域，例如桥式电路信号测量等。另外，它还可应用于生产过程控制、医疗仪器、应变仪和传感器接口等电路中。 ２　引脚排列 ＡＤ８２２１的突出特点是在高频时具有极高的共模抑制比。 ＡＤ８２２１可变增益仪用放大器采用８引脚ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ两种封装形式图１所示是其引脚排列图。由于ＡＤ８２２１带有一个独特的插脚引线，因此，ＡＤ８２２１在１０ｋＨｚ、Ｇ＝１时，具有８０ｄＢ的共模抑制比；而在１ｋＨｚ、Ｇ＝１０００时，则具有１１０ｄＢ的共模抑制比。该平衡引脚不仅降低了器件的寄生效应，同时还可简化电路板布局。 ＡＤ８２２１使用注意事项：高达４０００Ｖ的静电电荷很容易聚积在人体和测试装备上，并且可能在无察觉的情况下放电。虽然ＡＤ８２２１配置了ＥＳＤ保护电路，但由于高能量静电放电会对器件造成永久性破坏。因此，为了防止器件损坏或者性能下降，必须采取正确的ＥＳＤ防护措施。 ＡＤ８２２１的极限参数如下： ●供电电压：%26;#177;１８Ｖ； ●功耗：２００ｍＷ； ●输出短路时间：无限； ●共模输入电压：%26;#177;Ｖｓ； ●差分输入电压：%26;#177;Ｖｓ； ●工作温度范围：－４０℃～＋１２５℃； ●贮存温度范围：－６５℃～＋１５０℃。 超过这些极限值可能会给器件造成永久性破坏，如果接近这些绝对最大极限值且达到一定时间，也会影响器件的可靠性。 图3 ３　应用电路 ３．１ 利用ＡＤ８２２１作精确应变测量 由于ＡＤ８２２１具有低漂移和高共模抑制比等优良特性，所以是桥式电路信号测量的理想器件，设计时可以将桥路信号直接与ＡＤ８２２１的输入端相连，具体电路如图２所示。 ３．２ %26;#177;１０Ｖ输入单端放大器与＋５Ｖ差分ＡＤＣ连接 在实际的设计应用中，很多应用设计方案都需要处理%26;#177;１０Ｖ的信号，而现在大多数的ＡＤＣ和数字集成芯片则常常使用较低的单电源电压来进行供电。新型ＡＤＣ在低供电电压时大多采用差分输入方式以获得较好的共模抑制比和较好的抗干扰性能，因此，具有%26;#177;１０Ｖ输入范围的单端仪用放大器与只有＋５Ｖ差分输入范围ＡＤＣ的级联就成为一个比较棘手的问题，为此，设计时必须对输入信号进行衰减和平移，图３给出了ＡＤ８２２１与模数转换器ＡＤ７７２３的连接方法。 该电路利用低噪声放大器ＯＰ２７来设置ＡＤ８２２１的参考电压，仪用放大器的输出信号取自ＯＵＴ引脚和ＲＥＦ引脚。两个１ｋΩ电阻与４９９Ω电阻构成了信号衰减电路，设计时可将%26;#177;１０Ｖ信号调节至＋４ Ｖ，而ＡＤ８０２２构成的双射级跟随器则可以用来驱动模数转换器ＡＤ７７２３。 该电路可进行信号平移和衰减，且噪声较低的原因是，电阻Ｒ１和Ｒ２产生的噪声对ＡＤＣ的两个输入脚具有相同的效应，因而很容易抑制。而电阻Ｒ５产生的噪声只有１／３作用于系统，其大小可以忽略不计。衰减器的噪声经电阻Ｒ３和Ｒ４分压后也非常微弱。 该接口电路的另一个优点就是ＡＤ８２２１的建立时间短。因为放大器ＯＰ２７可以使ＡＤ８２２１只传送一半摆幅，从而缩短了建立时间，这样，在ＡＤＣ需要采集数据时，传送的位数就可以更多，从而提高了信号处理速度。 ３．３ 基于ＡＤ８２２１的交流耦合仪用放大器 如果被测量的信号很微弱而很可能被放大器噪声所淹没，那么检测起来就很困难。图４给出了一个可以提高交流小信号测量精度的电路。该检测电路由ＡＤ８２２１构成高增益放大器来减小放大器的输入噪声（８ｎＶ／√Ｈｚ），这使得噪声相对于小信号来说更加微弱，从而，可以方便的测量出有用信号。而当信号频率小于ｆ时，在放大器ＯＰ１１７７的作用下，ＡＤ８２２１的输出为０；而当信号频率超过ｆ时，信号将通过ＡＤ８２２１放大输出。 ４　结束语 ＡＤ８２２１的突出特点是在高频带时具有极高的共模抑制比，它可以解决某些应用中需要抑制宽带共模干扰的问题，因而具有广阔的应用前景。