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

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:18V;  
●功耗:200mW;  
●输出短路时间:无限;  
●共模输入电压:Vs;  
●差分输入电压: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｡

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｡