高精度、高共模電壓差分放大器AD629的特性與應(yīng)用

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，差分放大器是一種常見且重要的電路元件。今天要給大家介紹的是Analog Devices公司的一款高性能差分放大器——AD629，它在高共模電壓環(huán)境下有著出色的表現(xiàn)。

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一、AD629的主要特性

1. 高共模電壓范圍

AD629具有±270V的共模電壓范圍，并且輸入能承受±500V的共模和差模瞬態(tài)電壓，這使得它非常適合在高壓環(huán)境下工作。例如在高壓電流傳感、電池單元電壓監(jiān)測等應(yīng)用中，能夠準(zhǔn)確測量差分信號(hào)，而不受高共模電壓的影響。

2. 寬電源范圍與低功耗

其電源范圍為±2.5V至±18V，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。同時(shí)，最大電源電流僅為1mA，在保證性能的同時(shí)，有效降低了功耗。

3. 高精度的直流性能

不同型號(hào)的AD629在增益非線性、失調(diào)漂移和增益漂移等方面表現(xiàn)出色。如AD629B的最大增益非線性為3ppm，AD629A的最大失調(diào)漂移為20μV/°C，AD629B則為10μV/°C，最大增益漂移為10ppm/°C。

4. 優(yōu)秀的交流特性

在交流性能方面，AD629也毫不遜色。在500Hz時(shí)，AD629A的最小共模抑制比（CMRR）為77dB，AD629B為86dB，帶寬達(dá)到500kHz。

二、AD629的規(guī)格參數(shù)

1. 增益相關(guān)參數(shù)

AD629的標(biāo)稱增益為1，增益誤差較小，不同型號(hào)的增益誤差有所差異。例如AD629A和AD629B在特定條件下的增益誤差最大為0.05%和0.03%。增益非線性方面，AD629B在RL = 10kΩ時(shí)最大為3ppm。

2. 失調(diào)電壓參數(shù)

失調(diào)電壓受溫度和電源的影響。在溫度范圍從TMIN到TMAX時(shí)，AD629A的最大失調(diào)電壓漂移為20μV/°C，AD629B為10μV/°C。電源抑制比（PSRR）在電源從+5V到±15V變化時(shí)，AD629A為84 - 100dB，AD629B為90 - 110dB。

3. 輸入輸出參數(shù)

輸入共模抑制比在不同的共模電壓和頻率條件下有不同的表現(xiàn)。如在VCM = +250V dc時(shí)，AD629A的CMRR為77 - 88dB，AD629B為86 - 96dB。輸入共模和差模的工作電壓范圍分別為±270V和±13V，輸入阻抗共模為200kΩ，差模為800kΩ。輸出工作電壓范圍根據(jù)負(fù)載電阻和電源電壓的不同而變化。

三、AD629的工作原理

AD629是一款單位增益、差分轉(zhuǎn)單端放大器，由運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。為了實(shí)現(xiàn)高共模電壓范圍，內(nèi)部電阻分壓器（引腳3或引腳5）將同相信號(hào)衰減20倍，其他內(nèi)部電阻（引腳1、引腳2和反饋電阻）恢復(fù)增益，以提供單位差分增益。其完整的傳遞函數(shù)為(V_{OUT }=V(+IN)-V(-IN))。通過激光晶圓微調(diào)實(shí)現(xiàn)電阻匹配，從而抑制共模信號(hào)，放大差分輸入信號(hào)。為了減少輸出漂移，運(yùn)算放大器在輸入級(jí)使用了超β晶體管。

四、AD629的應(yīng)用場景及連接方式

1. 基本連接

在雙電源工作時(shí)，將±3V至±18V的電源電壓施加在引腳7和引腳4之間，使用0.1μF的電容對電源進(jìn)行去耦。差分輸入信號(hào)通常由負(fù)載電流流經(jīng)小分流電阻產(chǎn)生，施加在引腳2和引腳3上。引腳1和引腳5應(yīng)接地，以獲得單位增益，并連接到同一低阻抗接地平面，否則會(huì)導(dǎo)致共模抑制性能下降。

2. 單電源操作

單電源工作時(shí)，由于輸出只能在接近任一電源軌約2V的范圍內(nèi)擺動(dòng)，因此需要對輸出施加偏移。可以將REF(+)和REF(–)連接到低阻抗參考電壓，例如某些ADC提供的輸出電壓。對于10V的單電源，對于雙極性輸入信號(hào)，VREF可設(shè)置為5V；對于單極性輸入信號(hào)，VREF可設(shè)置為約2V。

3. 系統(tǒng)級(jí)去耦和接地

在混合信號(hào)環(huán)境中，建議使用接地平面來最小化接地回路的阻抗。對于具有模擬和數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，混合信號(hào)組件的所有接地引腳應(yīng)通過低阻抗模擬接地平面返回，數(shù)字接地線也應(yīng)連接到模擬接地平面。同時(shí)，要盡量減小數(shù)字和模擬接地之間的電壓差。

4. 使用大感測電阻

在輸入引腳之間插入大值分流電阻會(huì)使輸入電阻網(wǎng)絡(luò)失衡，引入共模誤差。為了補(bǔ)償這種誤差，可以在分流電阻的低阻抗側(cè)添加一個(gè)與分流電阻值相等的外部電阻。

5. 輸出濾波

可以在AD629之后使用OP177實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的2極低通巴特沃斯濾波器，以限制輸出噪聲。不同的截止頻率對應(yīng)不同的推薦組件值。

6. 輸出電流和緩沖

如果需要更高的輸出電流，可以使用精密運(yùn)算放大器（如OP113）對AD629的輸出進(jìn)行緩沖。

7. 增益為19的差分放大器

將差分輸入信號(hào)以特定方式連接到AD629，可以獲得精確的增益為19的放大效果，但此時(shí)不再允許大的共模電壓。還可以使用溫度傳感器（如AD590）實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償。

五、誤差預(yù)算分析

文檔中給出了兩個(gè)誤差預(yù)算分析示例，分別在直流和交流共模電壓環(huán)境下進(jìn)行。通過對比AD629和INA117在不同誤差源下的表現(xiàn)，可以看出AD629在總誤差方面具有明顯優(yōu)勢。例如在示例1中，AD629的總誤差為5826ppm，而INA117為11603ppm；在示例2中，AD629的總誤差為4166ppm，INA117為11603ppm。

六、封裝與訂購信息

AD629有裸片和封裝形式，包括8引腳塑料雙列直插式封裝（PDIP）和8引腳標(biāo)準(zhǔn)小外形封裝（SOIC）。不同型號(hào)對應(yīng)不同的溫度范圍和封裝選項(xiàng)，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

AD629以其高共模電壓范圍、高精度性能和豐富的應(yīng)用方式，為電子工程師在高壓、高精度測量等領(lǐng)域提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不妨考慮一下這款差分放大器，看看它能為你的項(xiàng)目帶來怎樣的提升。你在設(shè)計(jì)中有沒有遇到過高共模電壓的挑戰(zhàn)呢？你會(huì)選擇什么樣的解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。