低成本寬電源范圍儀表放大器AD8226的特性與應用

在電子設計領域，對于一款性能優良的儀表放大器的需求始終存在。AD8226作為一款低成本、寬電源范圍的儀表放大器，憑借其獨特的特性和廣泛的應用場景，成為工程師們的熱門選擇。下面我們就來深入了解一下AD8226的詳細信息。

文件下載：AD8226.pdf

一、AD8226的特性亮點

1. 增益設置簡單靈活

AD8226僅需一個外部電阻就能設置1到1000之間的任意增益，增益計算公式為 (G = 1 + frac{49.4 kOmega}{R_{G}}) 。當不使用增益電阻時，默認增益 (G = 1) 。這種簡單的增益設置方式為工程師在不同增益需求的設計中提供了極大的便利。

2. 寬電源范圍與輸入輸出特性

• 電源范圍：支持單電源2.2 V到36 V，以及雙電源 ±1.35 V到 ±18 V，適應多種電源環境。
• 輸入特性：輸入電壓可以低于地電位，輸入保護能力強，能承受超出電源的電壓。例如，在 ±5 V 電源下，輸入能承受 ±35 V 電壓而不損壞。
• 輸出特性：具備軌到軌輸出能力，使信號能充分利用電源軌，在處理小信號時無需雙電源。

3. 良好的電氣性能

• 帶寬：在增益 (G = 1) 時，帶寬可達1.5 MHz，能滿足一定頻率范圍內的信號處理需求。
• 共模抑制比（CMRR）：在 (G = 1) 時，BR 型號的 CMRR 最低為90 dB，有效抑制共模信號干擾。
• 輸入噪聲：輸入噪聲為22 nV/√Hz，典型電源電流為350 μA，在低噪聲和低功耗方面表現出色。
• 工作溫度范圍：指定工作溫度范圍為 -40°C 到 +125°C，適用于多種惡劣環境。

二、AD8226的應用場景

1. 工業過程控制

在工業生產中，需要對各種參數進行精確測量和控制。AD8226的寬電源范圍、高 CMRR 和低噪聲特性，使其能夠準確放大來自傳感器的微弱信號，為工業過程控制提供可靠的數據支持。

2. 橋路放大器

對于橋路傳感器輸出的小信號，AD8226可以進行有效的放大。其輸入能承受超出電源的電壓，保證了在橋路應用中的穩定性和可靠性。

3. 醫療儀器

醫療儀器對信號的準確性和穩定性要求極高。AD8226的低噪聲、寬電源范圍和良好的溫度特性，使其能夠滿足醫療儀器對微弱生物電信號放大的需求。

4. 便攜式數據采集

在便攜式設備中，低功耗是關鍵因素。AD8226的低電源電流特性，使其非常適合用于便攜式數據采集系統，延長設備的電池續航時間。

5. 多通道系統

AD8226的 MSOP 封裝體積小，適合在空間受限的多通道系統中使用。同時，其最低增益為1，能輕松處理 ±10 V 信號，滿足多通道系統對信號處理的要求。

三、AD8226的工作原理與架構

AD8226基于經典的3運放拓撲結構，包含前置放大器和差分放大器兩個階段。前置放大器提供差分放大，差分放大器去除共模電壓。

1. 第一階段（前置放大器）

為了保持偏置電阻 (R{B}) 上的恒定電壓，運放 A1 使節點 3 的電壓保持在正輸入電壓之上一個恒定的二極管壓降；同理，A2 使節點 4 的電壓保持在負輸入電壓之上一個恒定的二極管壓降。這樣，差分輸入電壓的副本就加在了增益設置電阻 (R{G}) 上，流經該電阻的電流也會流經 R1 和 R2 電阻，從而在 A2 和 A1 的輸出之間產生放大的差分信號。同時，原始的共模信號也會存在，只是向上偏移了一個二極管壓降。

2. 第二階段（差分放大器）

由運放 A3 和四個 50 kΩ 電阻組成，其作用是從放大的差分信號中去除共模信號。AD8226的傳遞函數為 (V{OUT }=Gleft(V{IN+}-V{IN-}right)+V{REF}) ，其中 (G = 1 + frac{49.4 kOmega}{R_{G}}) 。

四、設計注意事項

1. 增益選擇

在選擇增益時，要考慮外部增益設置電阻 (R_{G}) 的公差和增益漂移對系統總增益精度的影響。當需要增益為 5 且對增益漂移要求較高時，可以考慮使用 AD8227 。

2. 參考端子

參考端子 REF 必須由低阻抗驅動，其電位決定了輸出電壓。REF 端的額外阻抗會影響 CMRR ，因此源阻抗應保持在 2 Ω 以下。

3. 輸入電壓范圍

AD8226的輸入電壓范圍受增益、共模輸入電壓、差分輸入電壓和參考電壓的影響。在設計時，可參考相關圖表和公式來確定輸入電壓范圍，為了獲得最佳性能，建議設計時預留幾百毫伏的余量。

4. 布局設計

• 共模抑制比：為了保持高的 CMRR ，輸入源阻抗和電容應緊密匹配，輸入路徑中的額外源電阻應靠近放大器輸入，增益設置引腳的寄生電容應盡量小。
• 電源：應使用穩定的直流電壓為放大器供電，電源引腳的噪聲會影響性能，可在每個電源引腳附近放置 0.1 μF 電容，并在稍遠處使用 10 μF 鉭電容。
• 輸入偏置電流返回路徑：輸入偏置電流必須有返回地的路徑，當源無法提供返回路徑時，需要人為創建。

5. 輸入保護與射頻干擾抑制

• 輸入保護：AD8226本身輸入保護能力強，但在遇到超出允許范圍的電壓時，可使用外部限流電阻和低泄漏二極管鉗位。
• 射頻干擾（RFI）：在強 RF 信號環境中，可在放大器輸入處使用低通 RC 網絡過濾高頻信號，以減少 RF 整流帶來的干擾。

五、AD8226的應用電路示例

1. 差分輸出電路

通過配置 AD8226 和運算放大器，可以實現差分輸出。差分輸出電壓由 (V_{DIFFOUT }=V{OUT+ }-V{OUT- }=Gain × left(V{IN+}-V{IN-}right)) 確定，共模輸出電壓由 (V{CMOUT }=left(V{OUT+ }+V{OUT- }right) / 2=V{BIAS }) 確定。為了獲得最佳的交流性能，建議選擇增益帶寬至少為 2 MHz、壓擺率為 1 V/μs 的運算放大器。

2. 驅動 ADC 電路

根據不同的應用需求，有三種驅動 ADC 的電路方案：

• 驅動低頻信號：使用電容為 ADC 采樣電容提供電荷，電阻保護 AD8226 免受電容影響，適用于低頻信號。
• 驅動高頻信號：使用具有較高帶寬和輸出驅動能力的精密運算放大器，適用于高頻應用。
• 保護 ADC 免受大電壓影響：在 AD8226 輸出可能超出 ADC 電源范圍的情況下，使用電阻限制流入運算放大器的電流，保證系統的安全性。

AD8226以其豐富的特性和廣泛的應用場景，為電子工程師在信號放大和處理領域提供了一個優秀的解決方案。在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇增益、注意布局和保護措施，以充分發揮 AD8226 的性能優勢。大家在使用 AD8226 的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有一些特別的設計思路呢？歡迎在評論區分享交流。