高速仪表放大器学习:如何快速高效构建

电路功能与优势

构建仪表放大器的传统方法要用3个运算放大器和7个电阻，如图1所示。这种方法需要4个精密匹配的电阻，以获得良好的共模抑制比（CMRR）。如果匹配有误差，则最终输出也会产生误差。某些节点上，一皮法或两皮法（pF）的不平衡就会导致高频CMRR显著降低，而这一情况常被忽视。

该电路采用单芯片差动放大器和激光调整薄膜电阻构成输出放大器，因此可提供良好的直流和交流精度，而且所需器件比传统方法要少。

图1. 增益G = 201的仪表放大器（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

电路描述

该电路采用 AD8271 差动放大器和两个ADA4627-1 放大器，具有低噪声、低漂移、低失调和高速特性。对于高阻抗信号源，由于ADA4627-1的JFET输入偏置电流极低，因而是输入级放大器的理想选择。

输入级运算放大器还必须具有低失调电压和低失调电压温度漂移特性。同时需具有良好的驱动特性，以便使用低值电阻，使电阻热噪声最小。

为使本电路正常工作，必须考虑与运算放大器相关的裕量问题。

使用增益带宽积大于数MHz的运算放大器时，精心考虑布局和旁路十分重要。典型的去耦网络由一个1 μF至10 μF电解电容和一个0.01 μF至0.1 μF低电感陶瓷MLCC型电容并联构成。

仅有低阻抗信号源时，为使噪声最低，必须保持低电压噪声。 AD8599 具有更低的噪声、失调电压漂移和电源电流，但输入偏置电流则高得多，而且所获得的带宽将比ADA4627-1低。AD8599和ADA4627-1测得的?3 dB带宽分别为56.6 kHz和87.6 kHz（参见图2）。

图2. 图1所示电路分别使用ADA4627-1和AD8599作为输入级时的带宽比较

对于高阻抗信号源，双极性运算放大器的输入偏置电流和输入噪声电流可能会导致误差。偏置电流产生I × R的压降，经过整体电路增益放大后，可能会导致数伏输出偏移。输入噪声电流也会被源阻抗放大，产生额外的噪声电压。为避免这种情况，应当使用ADA4627-1等JFET输入运算放大器。虽然其电压噪声稍高于AD8599，但电流噪声明显低于后者，因此配合高阻抗信号源使用时，整体噪声更低。

如图3和图4所示，AD8599适合用于较低源阻抗，ADA4627-1则更适合较高源阻抗。这里需要权衡：JFET运算放大器的输入电容高于双极性运算放大器，因此必须考虑RC时间常数。

图3. 对于低阻抗信号源（0 Ω），图1所示电路分别使用ADA4627-1和AD8599作为输入级时的噪声谱密度（RTO）比较

图4. 对于高阻抗信号源（66 kΩ），图1所示电路分别使用ADA4627-1和AD8599作为输入级时的噪声谱密度（RTO）比较

常见变化

AD8271或AD8274 可以配合各种运算放大器使用，以优化电源电流、信号带宽、温度漂移和噪声相关整体性能。

为获得尽可能低的温度漂移特性，可以使用一款自稳零放大器，例如AD8539，但带宽会降低，宽带噪声会提高。不过，对于10 Hz以下的带宽堪称绝佳选择。

选择本电路的运算放大器与差动放大器组合时，务必不要超出各放大器的输入共模电压范围。这一点常被忽视，但却是许多应用发生问题的原因。

如果第一级增益约大于5，可以考虑使用非完全补偿运算放大器，例如OP37，利用较低的电源电流获得较高的压摆率和信号带宽。

当输入信号为毫伏级、增益为1000时，第一级可以采用±2.5 V电源供电，既节省功耗又能提供更多的运算放大器选择，例如AD8539自稳零放大器。然而，如果输入共模电压范围较高，则第一级必须选择电源电压更高的运算放大器。