|
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(Analog Devices Inc)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%26;#177;2.3V~%26;#177;18V,特別適合%26;#177;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｡ 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 %26;#177;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%26;#177;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%26;#177;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%26;#177;10V信號調節至+4 V,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｡ |
