AD8221是一款增益可编程、高性能的仪表放大器

特征

使用方便；提供节省空间的MSOP；具有1个外部电阻器（增益范围1至1000）的增益设置宽电源范围：±2.3 V至±8 V温度范围，用于指定性能：-40°C至+85°C；工作温度高达125°C[一]；优秀的交流规格；最小共模抑制比80分贝至10千赫（G=1）；825 kHz，-3 dB带宽（G=1）；2伏/微秒转换速率；低噪音；8 nV/z Hz，@ 1 kHz，最大输入电压噪声；0.25μV p-p输入噪声（0.1 Hz至10 Hz）；高精度直流性能（AD8221BR）；最小共模抑制比90分贝（G=1）；25伏最大输入失调电压；0.3伏/°C最大输入偏移漂移；0.4 Na最大输入偏置电流。

应用

磅秤；工业过程控制桥放大器；精密数据采集系统；医疗器械；应变计；传感器接口。

一般说明

AD8221是一款增益可编程、高性能的仪表放大器，可提供业内最高的共模抑制比过频。今天市场上仪器放大器的共模抑制比下降到200赫兹。相比之下，AD8221在G=1时保持所有等级的最小共模抑制比为80分贝至10千赫。高共模抑制比过频允许AD8221抑制宽带干扰和线路谐波，大大简化了滤波器要求。可能的应用包括精密数据采集、生物医学分析和航空航天仪器。

低电压偏置、低偏置漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比使得该部分在要求尽可能最佳直流性能的应用中成为一个很好的选择，例如电桥信号调节。

可编程增益提供了用户的设计灵活性。一个电阻将增益设置为1到1000。AD8221可在单电源和双电源上工作，非常适合遇到±10 V输入电压的应用。

AD8221具有低成本的8-引线SOIC和8-引线MSOP，两者都提供了业界最好的性能。MSOP需要SOIC一半的板空间，因此非常适合多通道或空间受限的应用。

所有等级的性能在整个工业温度范围内都有规定，即-40°C至+85°C。此外，AD8221可在-40°C至+125°C的温度下工作。

典型性能特征

T=25°C，V=±15 V，R=10 kΩ，除非另有说明。

操作理论

AD8221是一种基于经典三运放拓扑的单片仪表放大器。输入晶体管Q1和Q2在固定电流下偏置，使得任何差分输入信号迫使A1和A2的输出电压相应地改变。施加到输入的信号通过R、R1和R2产生电流，使得A1和A2的输出传送正确的电压。拓扑上，Q1，A1，R1和Q2，A2，R2可以看作是精密电流反馈放大器。放大的差分和共模信号被应用于差分放大器，该差分放大器抑制共模电压，但放大差分电压。差分放大器采用了创新，导致低输出偏置电压和低输出偏置电压漂移。激光微调电阻器允许高精度的放大器，增益误差通常小于20ppm，共模抑制比超过90db（G=1）。

使用超β输入晶体管和I补偿方案，AD8221提供极高的输入阻抗、低I、低I漂移、低I、低输入偏置电流噪声和8 nV/√Hz的极低电压噪声。AD8221的传递函数是：

用户可以使用一个标准电阻轻松准确地设置增益。

由于输入放大器采用电流反馈架构，因此AD8221的增益带宽积随增益而增加，从而导致系统在较高增益下不遭受电压反馈架构的预期带宽损失。

为了在较低的输入电平下保持精度，特别注意了AD8221的设计和布局，从而产生了一个性能满足最苛刻应用要求的in-amp。

一个独特的引脚使AD8221在10 kHz（G=1）时满足80分贝的CMRR规格，在1 kHz（G=1000）时满足110分贝的CMRR规格。图44所示的平衡引脚减少了过去对CMRR性能产生不利影响的寄生菌。此外，新的插脚线简化了电路板布局，因为关联的记录道被组合在一起。例如，增益设置电阻器引脚与输入相邻，参考引脚与输出相邻。

增益选择

在R端子上放置一个电阻器，设置AD8221的增益，可通过参考表6或使用增益方程计算。

当不使用增益电阻器时，AD8221默认为G=1。

增益精度由R的绝对公差决定。外部增益电阻的TC增加了仪表放大器的增益漂移。当不使用增益电阻时，增益误差和增益漂移保持在最小值。

布局

仔细的电路板布局使系统性能最大化。从增益设置电阻器到R引脚的迹线应尽可能短，以最小化寄生电感。为了确保最准确的输出，参考引脚的轨迹应连接到AD8221的本地接地，如图47所示，或连接到参考AD8221的本地接地的电压。

共模抑制

高共模抑制比AD8221的一个优点是，它比典型的仪表放大器具有更强的抗干扰能力，例如线路噪声及其相关谐波。通常，这些放大器在200hz时具有CMRR衰减；通常使用共模滤波器来补偿这一缺点。AD8221能够在更大的频率范围内抑制共模抑制比，减少了滤波的需要。

良好的布局有助于保持AD8221的高共模抑制比过频。输入源阻抗和电容应紧密匹配。此外，电源电阻和电容应尽可能靠近输入端。

接地

AD8221的输出电压是根据参考端子上的电势而产生的。应注意将REF系在适当的当地地面上。

在混合信号环境中，低电平模拟信号需要与噪声数字环境隔离。许多模数转换器都有独立的模拟和数字接地引脚。尽管将两个接地连接到一个接地平面很方便，但通过接地线和PC板的电流可能会导致数百毫伏的误差。因此，应使用单独的模拟和数字接地回路，以最小化从敏感点到系统接地的电流。图45和图46显示了一个布局示例。

参考端子

如图43所示，参考端子REF位于10 kΩ电阻器的一端。仪表放大器的输出参考参考参考端子上的电压；当输出信号需要偏移到精确的中间供电电平时，这非常有用。例如，可以将电压源绑定到REF管脚以使输出电平偏移，以便AD8221可以与ADC接口。允许的参考电压范围是增益、输入和电源电压的函数。参考引脚不应超过+V或–V超过0.5 V。

为了获得最佳性能，到REF端子的源阻抗应保持较低，因为寄生电阻会对CMRR和增益精度产生不利影响。

电源调节和旁路

应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。应使用旁路电容器来分离放大器。

应在每个电源引脚附近放置一个0.1μF的电容器。如图47所示，10μF钽电容器可在远离零件的地方使用。在大多数情况下，它可以被其他精密集成电路共享。

输入偏置电流返回路径

AD8221的输入偏置电流必须有返回公共的路径。当源（如热电偶）不能提供回流路径时，应创建回流路径，如图48所示。

输入保护

AD8221的所有端子都有防静电保护，1千伏人体模型此外，输入结构允许在负电源-V以下出现直流过载情况。在负故障情况下，内部400Ω电阻器限制电流。然而，在直流过载电压高于正电源+V的情况下，大电流直接通过ESD二极管流向正轨。因此，外部电阻器应与输入端串联使用，以限制电压高于+Vs的电流。在任何一种情况下，AD8221都可以安全地处理6毫安的连续电流，I=V/R表示正过电压，I=V/（400Ω+R）表示负过电压。

对于AD8221遇到极端过载电压的应用，如心脏除颤器，应使用外部串联电阻和低泄漏二极管夹，如BAV199Ls、FJH1100s或SP720s。

射频干扰

当放大器用于有强射频信号的应用时，射频校正常常是一个问题。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49所示。滤波器根据以下关系限制输入信号带宽：

其中C t 10C。

C影响差分信号，C影响共模信号。应选择R和C的值以最小化RFI。正输入处的R×C与负输入处的R×C不匹配会降低AD8221的共模抑制比。通过使用比C大一个数量级的值，可以减小失配的影响，从而提高性能。

精密应变计

AD8221的低偏移和高共模抑制比过频特性使其成为电桥测量的理想选择。如图50所示，电桥可以直接连接到放大器的输入端。

为A+5 V差分输入ADC调节±10 V信号

低电源电压下的模式抑制、抗噪性和性能。将一个±10 V的单端仪表放大器连接到一个+5 V的差分ADC可能是一个挑战。将仪表放大器连接到ADC需要衰减和电平偏移。解决方案如图51所示。

在许多应用中需要调节±10 V信号。然而，今天的许多adc和数字ic工作在更低的单电源电压下。此外，新的adc具有差分输入，因为它们提供更好的公共-在该拓扑中，OP27设置AD8221的参考电压。仪表放大器的输出信号通过OUT引脚和REF引脚接收。两个1 kΩ电阻器和一个499Ω电阻器将±10 V信号衰减到+4 V。可选电容器C1可以用作抗混叠滤波器。AD8022用于驱动ADC。

这种拓扑结构有五个优点。除了电平偏移和衰减外，对系统的贡献非常小。来自R1和R2的噪声对ADC的两个输入都是常见的，并且容易被拒绝。R5增加了三分之一的主要噪声，因此对系统噪声的贡献可以忽略不计。衰减器将噪声从R3和R4中分离出来。同样，它的噪声贡献也可以忽略不计。该接口电路的第四个优点是，AD8221的捕获时间减少了2倍。在OP27的帮助下，AD8221只需要提供一半的满负荷；因此，信号可以更快地稳定下来。最后，AD8022能够很快地完成，这是有帮助的，因为在ADC获取数据时，处理时间越短，可以解析的比特就越多。这种配置在保持性能的同时提供衰减、电平偏移和与差分输入ADC的方便接口。

交流耦合仪表放大器

测量放大器噪声或偏移中的小信号可能是一个挑战。图52显示了一种可以提高小交流信号分辨率的电路。大增益将放大器的输入噪声降低到8nv/√Hz。因此，可以测量较小的信号，因为噪声地板较低。积分器反馈网络从AD8221的输出中消除本应获得100的直流偏移。

在低频时，OP1177迫使AD8221的输出0V。一旦信号超过f，AD8221输出放大的输入信号。

模具信息

模具尺寸：1575微米×2230微米

模具厚度：381微米

为了减小键合线引入的增益误差，在芯片和增益电阻器R之间使用开尔文连接，方法是将焊盘2A和焊盘2B平行于R的一端，将焊盘3A和焊盘3B平行于R的另一端。对于不需要R的单位增益应用，衬垫2A和衬垫2B以及衬垫3A和衬垫3B必须粘合在一起。

外形尺寸