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仪表运放AD620使用总结

ADI_Amy 員工 在 2015-3-27 建立的討論區
最後回覆由纹哥--於2015-3-30提供

这篇AD620使用总结来自新浪博客网友jerry_here(原文链接:http://blog.sina.com.cn/s/blog_6f5dfc040102vk6v.html

 

 

在一般信号放大的应用中通常只要透过差动放大电路即可满足需求,然而基本的差动放大电路精密度较差,且差动放大电路变更放大增益时,必须满足两个电阻,影响整个讯号放大精确度的变因就更加复杂。仪表放大电路则无上述的缺点。

 

1.  AD620仪表放大器简介

图1仪表放大电路是由三个放大器所共同组成,其中的电阻R 与Rx需在放大器的电阻适用范围內(1kΩ~10kΩ)。固定的电阻R,我们可以调整Rx來调整放大的增益值,其关系式如式(1)所示,注意避免每个放大器的饱和现象(放大器最大输出为其工作电压±Vdc)

          仪表运放AD620使用总结 (1)

仪表运放AD620使用总结

图1仪表放大电路示意图


 

一般而言,上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到,只需外接一电阻(即式中RX),依照其特有的关系式去调整至所需的放大倍率即可。


AD620 仪表放大器的引脚图如图2所示。其中1、8引脚要跨接一个电阻来调整放大倍率,4、7引脚需提供正负相等的工作电压,由2、3引脚输入的电压即可从引脚6输出放大后的电压值。引脚5是参考基准,如果接地则引脚6的输出即为与地之间的相对电压。AD620的放大增益关系式如式(2)、式(3)所示,通过以上二式可推算出各种增益所要使用的电阻值RG

                                        仪表运放AD620使用总结

图2 AD620 仪表放大器的引脚图


仪表运放AD620使用总结 (2)

仪表运放AD620使用总结  (3)

AD620的基本特点为精度高、使用简单、低噪声,增益范围1~1000,只需一个电阻即可设定,电源供电范围±2.3V~±18V,而且耗电量低,可用电池驱动,方便应用于可携式仪器中。

 

2.AD620 仪表放大器基本放大电路

    图3为AD620电压放大电路图,其中电阻RG需根据所要放大的倍率由式(3-22)求得,

                              仪表运放AD620使用总结

图3 AD620电压放大电路图

 

 

仪表运放AD620使用总结

由式(3)可以计算出放大2倍所需要的电阻为49.4 KΩ


AD620非常适合压力测量方面的应用,如血压测量、一般压力测量器的电桥电路的信号放大等。AD620 也可以作为ECG测量使用由于AD620 的耗电量低,电路中电源可用3V干电池驱动;也因此AD620 可以应用在许多可携式的医疗器材中。


AD620的5脚标明VREF,这是为了使远距传输信号时消除地电位的不平衡而设定的,输出信号若为V,则会跌加到VREF上,也就是输出为Vout=V+Vref。一般把VERF接地就可以了,或者你想抬高或拉低信号,也可以给VREF加个电压值。


==》AD620的Vout=(V+ - V-)*G + Vref

 

 

2. 供电电压等使用问题

1)大家都知道,放大器的输出电压范围取决于其供电电压.但是,在AD620的使用过程中,更值得注意的是它的放大倍数的线性度受电源电压制约这一点。+5v和-5V供电时,线性度只在-3.6V~+3.6V间。提高供电电压,可以扩宽线性区。


2)共模输入对输出为负这一区域的放大倍数线性度有较大影响。当共模输入为负的1v左右时,在+5v和-5v供电之下,负向输出的线性度只能达到-2.4v左右。这一点要特别注意。一般在使用AD620时都忽略共模问题,一味使用提高电源的方法来改善线性度是不行的。


3)AD620得5脚的作用只能上拉/下拉输出电压。5脚作为参考端,一般情况下接地。当需要运用5脚拉高或降低输出时,可以接某一参考电压。但在这种情况下,要注意放大倍数的线性区不会因为5脚的改变来变化。例如+5V和-5V供电,5脚接地时,输出超过3.6V都为非线性段;当5脚接+1V时,不要认为此时输出超过+4.6V(+3.6V+1V)才线性,这是同样是超过3.6V都为非线性段。


还有一点提醒大家,市面上十几块钱的AD620都是次品,最好用好的AD620,不然。。。。

 

3. 常见使用问题解答

问:我最近想用Ad620作一个可调节增益的放大电路,后面接16位的ADC,所以对放大电路的精度要求挺高。使用模拟开关调节增益电阻达到增益倍数的改变。

问题是:Ad620的输入不为差分信号。我测量的信号输入为单端信号,我将IN+接“单端信号的信号端”,IN-接“传感器GND”,输出为单端电压信号,ref输出接地(和传感器GND连接)。但是我不知道这样接是不是不好?可能共模误差大。有没有更好的设计方案。如何降低共模误差?输入就是两根线,一个是传感器信号线,另一根是传感器地线。如果IN-接地,则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱,而IN+上的共模干扰信号依然存在,则AD620输出不能降低共模噪声。可不可以将输入浮空,也就是将IN+接“单端信号的信号端”,IN-接“传感器GND”,但是“传感器GND”和 Ad620供电的地相互隔离,ref输出接电源地。这样输出信号为IN+和IN-的差值,如同差分信号一样可以降低共模干扰。但是两个地电位不同,应该会出现问题,如何才能实现如上的思路。如何保证IN-接的地和真正的电源地接近,同时IN-上的共模噪声依然存在(IN-地和ref引脚接地之间“隔离”),这样AD620的输出可以最大限度的降低共模噪声。

这种设计需要注意什么?如何才能提高信号精度,因为后面是16位的AD。

 

答:该问题实质上是如何实现一个单端信号与差分信号的转换问题。这个问题非常普遍。问题已经清楚地表述了:“如 IN-接地,则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱,而IN+上的共模干扰信号依然存在,则AD620输出不能降低共模噪声。”


仔细分析这个问题,发现我们只要搞清楚AD620是否可以单端使用就可以了。可以把问题分成两种情况看一下:

a)如果AD620的IN-可以直接接地使用。因为传感器输出是一个单端信号,本来就有一端是地,如此接法实质上就是把传感器和测量电路这两个系统共地而已,不存在不能降低共模噪声这样的问题。当然前提确认是IN-引脚是否能够直接接地就可以了,这是AD620自身的问题,与传感器无关。


b)如果AD620的IN-不能接地使用。可以考虑把传感器的单端信号通过一个差分放大器转换为差分信号即可。

因此,只要测量电路可以接收单端信号就可以了,接法不是问题的关键。

 

 

4. 补充资料:仪表放大器

各种非电量的测量,通常由传感器把它转换为电压(或电流)信号,此电压信号一般都较弱,最小的到0.1µV,而且动态范围较宽,往往有很大的共模干扰电压。因此,在传感器后面大都需要接仪表放大器,主要作用是对传感器信号进行精密的电压放大,同时对共模干扰信号进行抑制,以提高信号的质量。

 

由于传感器输出阻抗一般很高,输出电压幅度很小,再加上工作环境恶劣,因此,仪器放大器与一般的通用放大器相比,有其特殊的要求,主要表现在高输入阻抗,高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声、及高闭环增益稳定性等。本节介绍几种由运算放大器构成的高共模抑制比仪表放大器



(一)同相串联差动放大器

图4为一同相串联差动放大器。电路要求两只运算放大器性能参数基本匹配,且在外接电阻元件对称情况下(即R1=R4,R2=R3),电路可获得很高的共模抑制比,此外还可以抵消失调及漂移误差电压的作用。

仪表运放AD620使用总结

图4 同相串联差动放大器

 

该电路的输出电压由叠加原理可得

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从而求得差模闭环增益

仪表运放AD620使用总结

 

 

 

(二)同相并联差动放大器

图5为同相并联差动放大器。该电路与图4电路一样,仍具有输入阻抗高、直流效益好、零点漂移小、共模抑制比高等特点,在传感器信号放大中得到广泛应用。

仪表运放AD620使用总结

图5同相并联差动放大器


由图5可知:

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将I 代入V01,V02可得

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由此可得电路差模闭环增益

仪表运放AD620使用总结

该电路若用一可调电位器代替R7,可以调整差模增益Ad的大小。

该电路要求A3 的外接电阻严格匹配,因为A3放大的是A1,A2输出之差。电路的失调电压是由A3引起的,降低A3的增益可以减小输出温度漂移。

 

(三)增益线性可调差动放大器

图6是电压增益可线性调节的差动放大器。可以通过调节电位器RW的线性刻度来直接读取电压增益,给使用带来很大的方便。

仪表运放AD620使用总结

图6增益线性可调差动放大器


图6中,由叠加原理可得

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因VA=VB,整理上两式,且当R1=R2=R3=R4时,输出电压

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电路闭环增益

仪表运放AD620使用总结

可见,电路增益与RPW成线性关系,改变RW大小不影响电路的共模抑制比

 

(四)高共模抑制比差动放大器

前面讨论的电路中,没有考虑寄生电容、输入电容和输入参数不对称对抑制比的影响。当要求提高交流放大电路的共模抑制比时,这些影响就必须考虑。在检测和控制系统中,常用屏蔽电缆来实现长距离信号传输,信号线与屏蔽层之间有不可忽略的电容存在。习惯上采用屏蔽层接地的方法,这样该电容就成为放大器输入端对地的寄生电容,加上放大器本身的输入电容。如果差动放大器两个输入端各自对地的电容不相等,就会使电路的共模抑制比变坏,测量精度下降。


为了消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响,最简单的方法是采用等电位屏蔽的措施,即不把电缆的屏蔽层接地,而是接到与输入共模信号相等的某等电位点上,亦即使电缆芯线与屏蔽层之间处于等电位,从而消除了共模输入信号在差动放大器两端形成的误差电压。如图7所示。

仪表运放AD620使用总结

图7高共模抑制比差动放大器


图中两只电阻R0的连接点电位正好等于输入共模电压,将连接点电位通过A4电压跟随器连到输入信号电缆屏蔽层上,使屏蔽层电位也等于共模电压。

参照同相并联差动放大器的分析可知

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当R1=R2时,可证明连接点电位

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正好等于共模输入电压,也即是电缆屏蔽层的电位与共模输入电缆芯线电位相等,因此不再因电缆电容的不平衡而造成很大的误差电压。


由图7还可见,A4的输出端还接到输入运放A1、A2供电电源±EC的公共端,因此使其电源处于随共模电压而变的浮动状态,即使正负电源的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同。由于电源对共模电压的跟踪作用,会使共模电压造成的影响大大地削弱。

 

(五)集成仪器放大器

在差分放大电路中,电阻匹配问题是影响共模抑制比的主要因素。如果用分立运算放大器来作测量电路,难免有电阻的差异,因而造成共模抑制比的降低和增益的非线性。采用后模工艺制作的集成仪器放大器解决了上述匹配问题,此外集成芯片较分立放大器具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点,因而被广泛使用。


一般集成仪器放大器具有以下特点:

(1)    输入阻抗高,一般高于109Ω;

(2)    偏置电流低;

(3)    共模抑制比高;

(4)    平衡的差动输入;

(5)    良好的温度特性;

(6)    增益可调;

(7)    单端输入。

結果