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具有最優共模抑制性能的可變增益儀用放大器AD8221及其應用
摘要：目前市場上大部分儀用放大器的共模抑制比在200Hz處就開始衰減，因而難以滿足某些設計要求，而美國ADI公司推出的增益可編程高性能儀用放大器AD8221，則能提供工業上最高的共模抑制比。AD8221在其增益為１時，能夠在頻率為10kHz處保持大于80dB的共模抑制比，因而能很好的抑制寬帶干擾和線性失真。文中介紹了AD8221的主要特點、工作原理以及引腳排列和功能，同時給出了AD8221的幾種應用電路的設計方法。關鍵詞：共模抑制比；AD8221；可變增益；儀用放大器
１概述
很多電子系統都需要對輸入模擬信號進行檢測。由于在其傳感器接口電路中常采用差分輸入方式，因而在系統的兩個輸入端難免會引入共模干擾信號，且該共模干擾電壓一般都比較大，這種干擾信號在信號輸入電路參數不對稱時會轉化為差模干擾并對測量系統產生影響，其影響的大小直接取決于共模干擾轉換成差模干擾的大小。共模抑制比ＣＭ-ＲＲ是衡量測量系統對共模干擾抑制能力的參數，通常被定義為作用于系統的共模干擾信號與使該系統產生同樣輸出所需的差模信號之比。ＣＭＲＲ值越高，說明系統對共模干擾的抑制能力越強。因此，為了提高測量系統的抗干擾性能，在設計高精度電路時，應選用高共模抑制比的運放來構成系統的傳感器接口電路。
理想運放的ＣＭＲＲ值應該是無窮大的，但大多數集成運算放大器的ＣＭＲＲ值實際上在８０ｄＢ以上。目前市場上所有的儀用放大器的共模抑制比在２００Ｈｚ處就開始衰減，因而不能滿足某些系統在寬帶干擾抑制方面的應用要求。
ＡＤ８２２１是美國ＡＤＩ（ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓＩｎｃ）公司２００３年推出的增益可編程高性能儀用放大器，該放大器的突出優點是其優異的共模抑制性能。當增益為１時，ＡＤ８２２１能夠在各級保持最小８０ｄＢ的共模抑制比，直至頻率達到１０ｋＨｚ，因此，它能夠抑制寬帶共模干擾，從而可有效解決上述問題。ＡＤ８２２１主要有如下特點：
●具有優異的交流特性，共模抑制比高，當Ｇ為１Ｖ／Ｖ時，共模抑制比最小為８０ｄＢ并將保持至１０ｋＨｚ；此外，ＡＤ８２２１還具有很寬的帶寬，當Ｇ為１Ｖ／Ｖ時，－３ｄＢ處的頻率為８２５ｋＨｚ；
●具有優異的直流特性，最大輸入失調電壓為２５μＶ；最大輸入失調電壓溫漂為０．３μＶ／℃；最大失調電流為０．４ｎＡ。
●噪聲低，當其工作頻率為１ｋＨｚ時，ＡＤ８２２１放大器的最大輸入電壓噪聲為８ｎＶ／√Ｈｚ；而在頻率為０．１Ｈｚ～１０Ｈｚ時，ＡＤ８２２１僅存在０．２５μＶ的點對點輸入噪聲。
●增益可以編程設置，從而為用戶提供了較大的使用靈活性。增益可由單一電阻進行控制且精度很高，其可編程范圍為１～１０００Ｖ／Ｖ；
●采用８引腳ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ兩種封裝，其中ＭＳＯＰ所占電路板空間是ＳＯＩＣ的一半，因而是多通道或節省空間應用的理想器件；
●既可單電源供電也可雙電源供電，電源電壓范圍為±２．３Ｖ～±１８Ｖ，特別適合±１０Ｖ輸入電壓的應用情況；
●可以在－４０℃～＋１２５℃的溫度范圍內正常工作。
ＡＤ８２２１可廣泛用于精確數據采集、生物醫學信號分析和航空航天儀器系統中。由于它具有低失調電壓、低失調電壓溫漂、低增益漂移、高增益精度等特點，因而非常適用于要求直流特性比較高的應用領域，例如橋式電路信號測量等。另外，它還可應用于生產過程控制、醫療儀器、應變儀和傳感器接口等電路中。
２引腳排列
ＡＤ８２２１的突出特點是在高頻時具有極高的共模抑制比。
ＡＤ８２２１可變增益儀用放大器采用８引腳ＳＯＩＣ和ＭＳＯＰ兩種封裝形式?圖１所示是其引腳排列圖。由于ＡＤ８２２１帶有一個獨特的插腳引線，因此，ＡＤ８２２１在１０ｋＨｚ、Ｇ＝１時，具有８０ｄＢ的共模抑制比；而在１ｋＨｚ、Ｇ＝１０００時，則具有１１０ｄＢ的共模抑制比。該平衡引腳不僅降低了器件的寄生效應，同時還可簡化電路板布局。
ＡＤ８２２１使用注意事項：高達４０００Ｖ的靜電電荷很容易聚積在人體和測試裝備上，并且可能在無察覺的情況下放電。雖然ＡＤ８２２１配置了ＥＳＤ保護電路，但由于高能量靜電放電會對器件造成永久性破壞。因此，為了防止器件損壞或者性能下降，必須采取正確的ＥＳＤ防護措施。
ＡＤ８２２１的極限參數如下：
●供電電壓：±１８Ｖ；
●功耗：２００ｍＷ；
●輸出短路時間：無限；
●共模輸入電壓：±Ｖｓ；
●差分輸入電壓：±Ｖｓ；
●工作溫度范圍：－４０℃～＋１２５℃；
●貯存溫度范圍：－６５℃～＋１５０℃。
超過這些極限值可能會給器件造成永久性破壞，如果接近這些絕對最大極限值且達到一定時間，也會影響器件的可靠性。
圖3
３應用電路
３．１利用ＡＤ８２２１作精確應變測量
由于ＡＤ８２２１具有低漂移和高共模抑制比等優良特性，所以是橋式電路信號測量的理想器件，設計時可以將橋路信號直接與ＡＤ８２２１的輸入端相連，具體電路如圖２所示。
３．２±１０Ｖ輸入單端放大器與＋５Ｖ差分ＡＤＣ連接
在實際的設計應用中，很多應用設計方案都需要處理±１０Ｖ的信號，而現在大多數的ＡＤＣ和數字集成芯片則常常使用較低的單電源電壓來進行供電。新型ＡＤＣ在低供電電壓時大多采用差分輸入方式以獲得較好的共模抑制比和較好的抗干擾性能，因此，具有±１０Ｖ輸入范圍的單端儀用放大器與只有＋５Ｖ差分輸入范圍ＡＤＣ的級聯就成為一個比較棘手的問題，為此，設計時必須對輸入信號進行衰減和平移，圖３給出了ＡＤ８２２１與模數轉換器ＡＤ７７２３的連接方法。
該電路利用低噪聲放大器ＯＰ２７來設置ＡＤ８２２１的參考電壓，儀用放大器的輸出信號取自ＯＵＴ引腳和ＲＥＦ引腳。兩個１ｋΩ電阻與４９９Ω電阻構成了信號衰減電路，設計時可將±１０Ｖ信號調節至＋４Ｖ，而ＡＤ８０２２構成的雙射級跟隨器則可以用來驅動模數轉換器ＡＤ７７２３。
該電路可進行信號平移和衰減，且噪聲較低的原因是，電阻Ｒ１和Ｒ２產生的噪聲對ＡＤＣ的兩個輸入腳具有相同的效應，因而很容易抑制。而電阻Ｒ５產生的噪聲只有１／３作用于系統，其大小可以忽略不計。衰減器的噪聲經電阻Ｒ３和Ｒ４分壓后也非常微弱。
該接口電路的另一個優點就是ＡＤ８２２１的建立時間短。因為放大器ＯＰ２７可以使ＡＤ８２２１只傳送一半擺幅，從而縮短了建立時間，這樣，在ＡＤＣ需要采集數據時，傳送的位數就可以更多，從而提高了信號處理速度。
３．３基于ＡＤ８２２１的交流耦合儀用放大器
如果被測量的信號很微弱而很可能被放大器噪聲所淹沒，那么檢測起來就很困難。圖４給出了一個可以提高交流小信號測量精度的電路。該檢測電路由ＡＤ８２２１構成高增益放大器來減小放大器的輸入噪聲（８ｎＶ／√Ｈｚ），這使得噪聲相對于小信號來說更加微弱，從而，可以方便的測量出有用信號。而當信號頻率小于ｆ時，在放大器ＯＰ１１７７的作用下，ＡＤ８２２１的輸出為０；而當信號頻率超過ｆ時，信號將通過ＡＤ８２２１放大輸出。
４結束語
ＡＤ８２２１的突出特點是在高頻帶時具有極高的共模抑制比，它可以解決某些應用中需要抑制寬帶共模干擾的問題，因而具有廣闊的應用前景。
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