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单片仪表放大器为了满足对更容易应用的仪表放大器的需求，ADI公司研发出单片IC仪表放大器。这些IC包含对如前所述的三运放和双运放仪表放大器电路的改进，同时提供激光微调的电阻器和其它有益於单片IC的技术。由於有源器件和无源器件现在都在同一颗管芯内，所以它们能够精密匹配——这保证了器件提供高CMR。另外，这些器件在整个温度范围内保持匹配，从而保证了在宽温度范围内优良的性能。IC技术（例如，激光晶圆微调）能够使单片集成电路调整到极高精度并且提供低成本、高量产。单片仪表放大器的另一个优点是它们可以采用尺寸极小、成本极低的SOIC或MSOP封装，适合用於高量产。表1提供一个ADI公司仪表放大器性能快速一览表。图1.AD8221原理图一、采用仪表放大器还是差分放大器尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。差分放大器本质上是一个运放减法器，通常使用大阻值输入电阻器。电阻器通过限制放大器的输入电流提供保护。它们还将输入共模电压和差分电压减小到可被内部减法放大器处理的范围。总之，差分放大器应当用於共模电压或瞬态电压可能会超过电源电压的应用中。与差分放大器相比，仪表放大器通常是带有两个输入缓冲放大器的运放减法器。当总输入共模电压加上输入差分电压（包括瞬态电压）小於电源电压时，应当使用仪表放大器。在最高精度、最高信噪比（SNR）和最低输入偏置电流（IB）是至关重要的应用中，也需要使用仪表放大器。二、单片仪表放大器内部描述1、高性能仪表放大器ADI公司於1971年推出了第一款高性能单片仪表放大器AD520，2003年推出AD8221。这款仪表放大器采用超小型MSOP封装并且在高於其它同类仪表放大器的带宽内提供增加的CMR。它还比工业标准AD620系列仪表放大器有很多关键的性能提高。图2.AD8221的引脚排列AD8221是一种基於传统的三运放结构的单片仪表放大器（见图1）。输入三极管Q1和Q2在恒定的电流条件下被偏置以便任何差分输入信号都使A1和A2的输出电压相等。施加到输入端的信号产生一个通过RG、R1和R2的电流以便A1和A2的输出提供正确的电压。从电路结构上，Q1、A1、R1和Q2、A2、R2可视为精密电流反馈放大器。放大的差分信号和共模信号施加到差分放大器A3，它抑制共模电压，但会处理差分电压。差分放大器具有低输出失调电压和低输出失调电压漂移。经过激光微调的电阻器允许高精密仪表放大器具有增益误差典型值小於20ppm并且CMR超过90dB（G=1）。图3.AD8221的CMR与频率的关系图4.AD8221的闭环增益与频率的关系图5.AD620原理图图6.AD620的闭环增益与频率的关系AD8221使用超β输入三极管和一个IB补偿电路，它可提供极高的输入阻抗，低IB，低失调电流（IOS），低IB漂移，低输入IB噪声，以及8nV/（Hz）1/2极低电压噪声。AD8221的增益公式为∶AD8221采用精心设计以保证用户能够使用一苹外部的标准阻值的电阻器很容易和精确地设置增益。由於AD8221的输入放大器采用电流反馈结构，所以它的增益带宽乘积可以随增益提高，从而构成一个在提高增益时没有电压反馈结构的带宽降低的系统。为了甚至在低输入信号幅度条件下也能保持精密度，对AD8221的设计和布线采用了特别细心的考虑，因而能使仪表放大器的性能满足甚至要求最严格的应用（见图3和图4）。AD8221采用独特的引脚排列使其达到无与伦比的CMR技术指标，在10kHz（G=1）条件下为80dB，在1kHz（G=1000）条件下为110dB。平衡的引脚排列，如图2所示，减少了过去对CMR性能有不利影响的寄生效应。另外，新的引脚排列简化了PCB布线，因为相关的印制线都分组靠近在一起。例如，增益设置电阻器引脚与输入引脚相邻，并且参考脚靠近输出引脚。多年来，AD620已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器。AD620是一种完整的单片仪表放大器，提供8引脚DIP和SOIC两种封装。用户使用一苹外部电阻器可以设置从1到1,000任何要求的增益。按照设计要求，增益10和100需要的电阻值是标准的1%金属膜电阻值。AD620（见图5）是传统AD524仪表放大器的第二代产品并且包含一个改进的传统三运放电路。经过激光微调的片内薄膜电阻器R1和R2，允许用户仅使用一苹外部电阻器便可将增益精确设置到100，最大误差在±0.3%之内。单片结构和激光晶圆微调允许电路元器件的精密匹配和跟踪。图7.AD620的CMR与频率的关系图8.AD620的增益非线性(G=100,RL=10kΩ,垂直刻度:100μV=10ppm,水平刻度2V/div)图9.AD620的小信号脉冲响应(G=10，RL=2kΩ，CL=100pF)图10.AD621原理图由Q1和Q2构成的前置放大器级提供附加的增益前端。通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路反馈使通过输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，由此使输入电压加在外部增益设置电阻器RG的两端。这就产生一个从输入到A1/A2输出的差分增益G，G=（R1＋R2）/RG＋1。单元增益减法器A3消除了任何共模信号，并产生一个相对於REF引脚电位的单端输出。RG的值还决定前置放大器级的跨导。为了提供增益而减小RG时，前置放大器级的跨导逐渐增加到相应输入三极管的跨导。这有三个主要优点。第一，随著设置增益增加，开环增益也随著增加，从而降低了增益相对误差。第二，（由C1、C2和前置放大器跨导决定的）增益带宽乘积随著设置的增益一起增加，因而优化了放大器的频率响应。图6示出AD620的闭环增益与频率的关系。AD620还在宽频率范围内具有优良的CMR，如图7所示。图8和图9分别示出AD620的增益非线性和小信号脉冲响应。第三，输入电压噪声减少到9nV（Hz）1/2，主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定的。内部增益电阻器R1和R2的阻值已经调整到24.7kΩ，从而允许只利用一苹外部电阻器便可精确地设置增益。增益公式为∶这，电阻器RG以kΩ为单位。选择24.7kΩ阻值是以便於可使用标准1%电阻器设置最常用的增益。AD621与AD620类似，只是设置10和100倍增益的增益电阻器已经集成在芯片内——无需使用外部电阻器。选择100倍增益只需要一个外部跨接线（在引脚1和8之间）。对於10倍增益，断开引脚1和引脚8。它在规定温度范围内提供优良的增益稳定性，因为片内增益电阻跟踪反馈电阻的温度系数（TC）。图10是AD621的原理图。AD621具有0.15%最大总增益误差和±5ppm/℃增益漂移，它比AD620的片内精度高出许多。图11.AD621的CMR与频率的关系图12.AD621的闭环增益与频率的关系AD621也可使用一苹外部增益电阻设置在10和100之间的增益，但增益误差和增益温度漂移会变坏。使用外部电阻器设置增益公式为∶G=（R1＋R2）/RG+1图11和图12分别示出AD621的CMR与频率的关系以及闭环增益与频率的关系。图13和图14分别示出AD621的增益非线性和小信号脉冲响应。图13.AD621的增益非线性(G=10,RL=10kΩ，垂直刻度∶100μV/div=100ppm/div，水平刻度2V/div)图14.AD621的小信号脉冲响应(G=10，RL=2kΩ，CL=100pF)图15.AD8225原理图2、固定增益仪表放大器AD8225是一种增益为5的精密单片仪表放大器。图15示出它是一个三运放仪表放大器。单位增益输入缓冲器由超βNPN三极管Q1和Q2以及运放A1和A2组成。这些三极管被补偿以使它们的输入偏置电流极低，典型值为100pA或更低。因此，电流噪声也很低，仅50fA/（Hz）1/2。输入缓冲器驱动一苹增益为5的差分放大器。因为3kΩ和15kΩ电阻是比率匹配的，所以增益稳定性在额定温度范围内优於5ppm/℃。与通常的可变增益仪表放大器的单位增益补偿相比，AD8225具有宽增益带宽乘积，由於它被补偿到5倍固定增益。AD8225创新的引脚排列也提高了高频性能。由於引脚1和8未用，所以引脚1可连接到引脚4。由於引脚4也是AC接地，所以平衡了引脚2和3上的寄生电容。3、低成本仪表放大器AD622是AD620的低成本版本（见图5）。AD622采用改进的生产方法以便以较低成本提供AD620的大多数性能。图18、图19和图20分别示出AD622的CMR与频率的关系，增益非线性以及闭环增益与频率的关系。图16.AD8225的CMR与频率的关系图17.AD8225的增益非线性图18.AD622的CMR与频率的关系(RTI，0~1kΩ源阻抗不平衡)图19.AD622的增益非线性(G=1，RL=10kΩ；垂直刻度∶2μV=2ppm)图20.AD622的闭环增益与频率的关系图21.AD623原理图4、单电源仪表放大器单电源仪表放大器有一些特殊的设计问题需要解决。输入级必须能够放大处於接地电位（或非常接近接地电位）的信号，并且输出级摆幅要能够接近地电位或电源电压，即高於地电位或低於电源电压几个毫伏（mV）。低电源电流也很重要。并且，当仪表放大器工作在低电源电压时，它需要有足够的增益带宽乘积、低失调电压漂移和优良的CMR与增益以及CMR与频率的关系。AD623是一种在三运放仪表放大器电路基础上经过改进的仪表放大器以保证单电源或双电源工作，甚至能工作在共模电压或者低於负电源电压（或单电源工作时，低於接地电位）。其它特点包括R-R输出电压摆幅，低电源电流，超小型封装，低输入和输出失调电压，μV级DC失调电压漂移，高CMR，以及仅用一苹外部电阻器设置增益。如图21所示，输入信号施加到PNP三极管作为电压缓冲器和DC电平移位器。在每个放大器（A1和A2）反馈路径中采用一苹精度调整到0.1%以内的50kΩ电阻器保证精确的增益设置。差分输出为∶这以kΩ为单位。使用输出差分放大器，将差分电压转换为单端电压，也抑制了输入放大器输出端上的任何共模信号。由於上述所有放大器的摆幅都能达到电源电压的任一端，并且它们的共模范围扩展到负电源电压以下，因而进一步提高了AD623的摆幅范围。应当注意，不像双电源输入电流补偿的仪表放大器（例如，AD620），Q1和Q2的基极电流直接流出输入端。由於这两个输入端（即Q1和Q2的基极）可工作在接地电位（即，0V或更准确的说，低於接地电位200mV），所以为AD623提供输入电流补偿是不可能的。但是，AD623的输入偏置电流仍非常小∶最大值仅25nA。图22.AD623的闭环增益与频率的关系图23.AD623的CMR与频率的关系(VS=±5V)图24.AD623的增益非线性(G=-10,50ppm/div)图25.AD623的小信号脉冲响应(G=10，RL=10kΩ，CL=100pF)图26.AD627原理图图27.AD627的CMR与频率的关系图28.AD627的闭环增益与频率的关系图29.AD627的增益非线性(VS=±2.5V，G=5，4ppm/垂直分格)图30.AD627图的小信号脉冲响应(VS=±5V，G=+10,RL=20KΩ，CL=50pF,20μs/水平分格,20mV/垂直分格)引脚6上的输出电压是相对引脚5上的参考端电位测量的。参考端引脚的阻抗是100kΩ。内部ESD箝位二极管允许AD623的输入端、参考端、输出端和增益端安全地耐受高於或低於电源电压0.3V的过压。对於所有增益，并且在开机或关机时都是这样。对於後一种情况尤其重要，因为信号源和仪表放大器可能是分开供电的。如果预期过压超过这个值，使用外部限流电阻器，应该限制流过这些二极管的电流到10mA。这些电阻器的阻值由仪表放大器的噪声幅度、电源电压以及所需要的过压保护确定。当AD623的增益增加时，会减小它的带宽，因为A1和A2是电压反馈运算放大器。但是，AD623甚至在较高增益下，它仍有足够的带宽适合许多应用。AD623的增益是通过引脚1和8之间的RG电阻器或由更精确的其它方法构成的阻抗进行设置的。图22示出AD623的增益与频率的关系。AD623