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AD8422是一款高精度、低功耗、低噪音、轨对轨的仪表放大器

2020-9-30 16:50:28  75 仪表放大器
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低功率:330微安最大静态电流轨对轨输出低噪声、低失真;8 nV/√Hz 1 kHz时最大输入电压噪声;0.15μV p-p Rti噪声(G=100);0.5 ppm非线性,2 kΩ负载(G=1);优秀的交流规格;10 kHz时最小共模抑制比为80 dB(G=1);2.2兆赫带宽(G=1);高精度直流性能(AD8422BRZ);最小共模抑制比150分贝(G=1000);最大增益误差0.04%(G=1000);0.3微伏/摄氏度最大输入偏移漂移;0.5 nA最大输入偏置电流;供应范围广;4.6 V至36 V单电源;±2.3 V至±18 V双电源;输入过电压保护:来自相反电源的40 V;增益范围:1至1000。
应用
医疗器械;工业过程控制;应变计;传感器接口;精密数据采集系统;信道隔离系统;便携式仪器。
一般说明
AD8422是一款高精度、低功耗、低噪音、轨对轨的仪表放大器,它提供了业界单位微安的最佳性能。AD8422处理具有超低失真性能的信号,该性能在其整个输出范围内与负载无关。
AD8422是AD620工业标准的第三代产品。AD8422采用了新的工艺技术和设计技术,比以前的产品具有更高的动态范围和更低的误差,同时功耗不到三分之一。AD8422使用AD8221引入的高性能引脚。
极低的偏置电流使AD8422无误差,具有高源阻抗,允许将多个传感器复用到输入端。低电压噪声和低电流噪声使AD8422成为测量惠斯通电桥的理想选择。
AD8422的宽输入范围和轨对轨输出带来了amp到单电源应用中高性能的所有好处。无论使用高或低电源电压,节省的功率使AD8422成为高信道数或功率敏感应用的一个非常好的选择,在非常紧张的错误预算。
AD8422采用了稳健的输入保护,确保了可靠性,同时又不牺牲噪声性能。AD8422具有很高的ESD抗扰度,并且输入端受到来自相反供电轨的高达40 V的连续电压的保护。
一个电阻将增益设置为1到1000。参考引脚可用于对输出电压施加精确的偏移。
AD8422的温度范围为-40°C至+85°C,其典型性能曲线为125°C。可在8导MSOP和8导SOIC封装中使用。

典型性能特征
T=25°C,V=±15,V=0 V,R=10 kΩ,除非另有说明。

操作理论

建筑
AD8422基于经典的3运放仪表放大器拓扑结构。这种拓扑结构分为两个阶段:提供差分放大的前置放大器和消除共模电压的差分放大器。图55显示了AD8422的简化示意图。
在拓扑上,Q1,A1,R1和Q2,A2,R2可以看作是精确的电流反馈放大器,在Q1和Q2的发射极中保持固定的电流。输入信号的任何变化都会迫使A1和A2的输出电压相应地变化,并将Q1和Q2电流保持在正确的值。这将导致二极管分别从–IN和+IN精确地降到节点3和节点4,从而使施加到输入的差分信号通过R引脚复制。通过RG的任何电流也必须流过R1和R2,从而在节点1和节点2之间产生获得的差分电压。
将放大的差分信号和共模信号施加到差分放大器,差分放大器拒绝共模电压,但保留放大的差分电压。
激光微调电阻允许高精度的放大器,增益误差小于0.01%,共模抑制比超过94分贝(G=1)。电源电流经过精确的微调,以减少由于功率损耗和噪声的局部变化而产生的不确定性。高性能插脚和对设计和布局的特别关注,允许在宽频率和温度范围内实现高共模抑制比。AD8422使用超β输入晶体管和偏置电流补偿,提供极高的输入阻抗和低偏置电流,以及极低的电压噪声,同时仅使用300微安的电源电流。过电压保护方案允许输入在不影响噪声性能的情况下,从相反的轨道以所有增益通过40V。
AD8422的传递函数是:

其中:

增益选择
在RG端子上放置一个电阻器可设置AD8422的增益,该增益可通过参考表6或使用以下增益方程进行计算:

当不使用增益电阻器时,AD8422默认为G=1。将RG电阻器的公差和增益漂移加到AD8422的规格中,以确定系统的总增益精度。当不使用增益电阻时,增益误差和增益漂移最小。

RG功耗
AD8422在RG电阻器的输入端复制差分电压。选择一个RG电阻大小,足以处理环境温度下的预期功耗。
参考端子
AD8422的输出电压是根据参考端子上的电势而产生的。这可用于对输出信号应用精确的偏移。例如,可以将电压源绑定到REF管脚以使输出电平偏移,从而允许AD8422驱动单极模数转换器(ADC)。REF引脚由ESD二极管保护,不得超过+V或-V超过0.3 V。
为了获得最佳性能,保持与REF端子的源阻抗低于1Ω。如图55所示,参考端子REF位于10 kΩ电阻器的一端。REF端子上的附加阻抗增加了该10 kΩ电阻,并导致连接到正输入端的信号放大
附加R的放大率可以计算为:

只有正信号路径被放大;负信号路径不受影响。这种不均匀的放大降低了共模抑制比。

输入电压范围
AD8422的3运算放大器结构在差分放大器级去除共模电压之前在第一级应用增益。第一级和第二级之间的内部节点(图55中的节点1和节点2)经历获得的信号、共模信号和二极管降的组合。即使单个输入和输出信号不受限制,电压源也可以限制组合信号。图10到图13详细显示了这个限制。
布局
为确保AD8422在印刷电路板级的最佳性能,请注意电路板布局的设计。为了帮助完成这项任务,AD8422的引脚按逻辑方式排列。

共模抑制比过频
布局不良会导致一些共模信号在到达in-amp之前转换为差分信号。当一个输入路径具有不同于另一个的频率响应时,就会发生这种转换。为了保持较高的共模抑制比过频,应密切匹配输入源阻抗和每条通路的电容。在靠近输入放大器输入的输入路径(例如,用于输入保护)中放置额外的源电阻,这将最小化它们与来自PCB记录道的寄生电容的相互作用。
增益设置引脚(R)处的寄生电容也会影响共模抑制比过频。如果电路板设计在增益设置引脚处有一个组件(例如,开关跳线),则选择一个使寄生电容尽可能小的组件。
电源和接地
使用稳定的直流电压为仪表放大器供电。电源插脚上的噪音会对性能产生不利影响。
将0.1μF电容器尽可能靠近每个电源引脚。由于旁路电容器引线的长度在高频时至关重要,建议使用表面贴装电容器。旁路接地线路中的寄生电感对旁路电容器产生的低阻抗起作用。如图58所示,可在远离装置的地方使用10μF电容器。对于在较低频率下有效的较大值电容器,电流返回路径距离不太重要。在大多数情况下,这种电容器可以被其他本地精密集成电路共享。

地平面层有助于降低寄生电感。这使得电压降随着电流的变化而最小化。电流路径的面积与寄生电感的大小成正比,因此与高频路径的阻抗成正比。电感去路径或接地回路中电流的大变化会产生不必要的影响,因为这些变化耦合到放大器输入中。
由于负载电流从电源流出,因此将负载连接到与旁路电容器接地相同的物理位置。
参考管脚
AD8422的输出电压是根据参考端子上的电势而产生的。确保REF与适当的本地接地连接。
输入偏置电流返回路径
AD8422的输入偏置电流必须有一个直流回路接地。当使用没有电流返回路径的浮动源(如热电偶)时,创建一个电流返回路径,如图59所示。

输入电压超出供电轨
许多仪表放大器规定了良好的共模抑制比和输入阻抗,但在实际系统中,由于输入保护所需的外部元件,性能受到影响。AD8422具有非常强大的输入。它通常不需要额外的输入保护。在不损坏部件的情况下,从相反的供电轨输入的电压可高达40 V。例如,使用+5 V正极电源和0 V负极电源,部件可以安全地承受-35 V到+40 V的电压。与其他一些仪表放大器不同,部件可以处理较大的差分输入电压,即使部件处于高增益。

对于相对轨道的输入电压小于40 V,不需要输入保护。
将其余AD8422端子保持在电源内。AD8422的所有端子都有防静电保护。
输入电压超过最大额定值
对于AD8422遇到超出绝对最大额定值部分限制的电压的应用,需要外部保护。这种外部保护取决于过电压事件的持续时间和所需的噪声性能。
对于短寿命事件,可能只需要金属氧化物变阻器(MOV)等瞬态保护器。
对于较长的事件,使用与二极管组合的输入串联的电阻器。为避免偏置电流性能恶化,建议使用低泄漏二极管,如BAV199或FJH1100s。二极管防止放大器输入端的电压超过最大额定值,而电阻器限制进入二极管的电流。因为大多数外部二极管可以轻松地处理100毫安或更多,电阻值不必很大。因此,保护电阻对噪声性能的影响最小。

另一种解决方案是使用串联电阻,以牺牲一些噪声性能。在过电压情况下,输入AD8422的电流在内部被限制为放大器的安全值。尽管AD8422输入仍必须保持在绝对最大额定值范围内,但通过保护电阻器的I×R降会将系统能够承受的最大电压增加到以下值:
对于正输入信号,

对于负输入信号,

过电压性能如图14、图15、图16和图17所示。当增益大于100且电源电压小于±2.5 V时,超出轨道的过驱动电压可能导致输出反转至参考引脚电压。
射频干扰
当放大器用于具有强射频信号的应用中时,射频校正通常是一个问题。干扰可以表现为一个小的直流偏移电压。高频信号可以通过放置在仪表放大器输入端的低通RC网络进行滤波,如图62所示。

滤波器根据以下关系限制输入信号带宽:

其中

CD影响差分信号,CC影响共模信号。选择使RFI最小化的R和CC值。正输入的R×CC和负输入的R×CC之间的不匹配降低了AD8422的CMRR。通过使用比C C大一个数量级的C值,减小了失配的影响,提高了性能。
电阻会增加噪声;因此,电阻和电容值的选择取决于噪声、高频输入阻抗和射频抗扰度之间所需的权衡。RFI滤波器使用的电阻器可以与输入保护用的电阻器相同。
应用程序信息
精密电桥调节
具有高共模抑制比、低漂移和轨对轨输出AD8422是调节惠斯通电桥信号的最佳选择。使用适当的电源电压,可以调整增益和参考管脚电压,使满标度电桥输出与任何期望的输出范围相匹配,例如0 V到5 V。图63显示了使用AD8276低功率、精密差分放大器和ADA4096-2低功率将电桥信号转换为4毫安到20毫安输出的电路,轨对轨输入和输出,过压保护运放。对于高精度电桥电路,必须注意补偿偏移和温度误差。例如,如果参考引脚处的电压用于补偿电桥偏移,请确保AD8422在其最大预期偏移的工作范围内。如果不包括调零电位计,则将正运算放大器输入连接到24.9 kΩ、10.7 kΩ分压器的中心,该分压器的电压为1.5 V。如果AD8276和ADA4096-2,确保AD8276的期望输出电压在其输出范围内,V在ADA4096-2的输入和输出范围内。晶体管必须有足够的击穿电压和I。低成本的晶体管,如BC847或2N5210,是推荐的。
过程控制模拟输入
在过程控制系统中,如可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS),模拟变量通常只出现在几个标准电压或电流范围内,包括4-20毫安和±10伏。这些输入范围内的变量必须经常获得或衰减,并进行电平偏移,以匹配特定的ADC输入范围,例如0 V到5 V。图64中的电路显示了一种可以用单个AD8422实现的方法。
低功率、过电压保护和高精度使AD8422非常适合过程控制应用,高输入阻抗、低偏置电流和低电流噪声允许显著的源电阻和最小的附加误差。

外形尺寸


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