低功耗儀器放大器AD8236：特性、應用與設計要點

作為電子工程師，在設計各類電子設備時，選擇合適的放大器至關重要。今天要給大家介紹的是Analog Devices推出的一款低功耗儀器放大器——AD8236，它在很多方面都有著出色的表現。

文件下載：AD8236.pdf

一、AD8236的特性亮點

1. 低功耗設計

AD8236的最大電源電流僅為40μA，這一特性使其在電池供電的應用中具有顯著優勢，能夠有效延長設備的續航時間。比如在一些便攜式醫療設備中，低功耗意味著可以減少電池的更換頻率，提高設備的使用便利性。

2. 低輸入電流

其輸入偏置電流低至1pA，輸入失調電流為0.5pA。低輸入電流可以減少信號源的負載效應，提高測量的準確性，對于一些高阻抗信號源的應用場景非常適用。

3. 高共模抑制比（CMRR）

在增益G = 100時，CMRR可達110dB。高CMRR能夠有效抑制共模信號的干擾，提高放大器對差模信號的放大能力，保證輸出信號的質量。

4. 零輸入交越失真

采用創新的輸入級設計，實現了寬軌到軌輸入電壓范圍，且沒有其他設計中常見的交越失真問題。這使得放大器在處理各種輸入信號時都能保持良好的線性度。

5. 軌到軌輸入和輸出

支持軌到軌的輸入和輸出，能夠充分利用電源電壓范圍，提供更大的動態范圍，適用于各種低電壓供電的應用。

6. 單電阻設置增益

通過在RG引腳之間連接一個電阻，就可以方便地設置放大器的增益，計算公式為 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 。這種簡單的增益設置方式提高了設計的靈活性。

7. 寬電源電壓范圍

可在1.8V至5.5V的電源電壓下工作，能夠適應不同的電源環境，為設計提供了更多的選擇。

二、應用領域廣泛

1. 醫療儀器

在醫療儀器領域，如心電圖監測儀、心率監測儀等，AD8236的低功耗、高CMRR和低輸入電流等特性使其能夠準確地測量生物電信號，同時減少對患者的負擔。

2. 低端電流檢測

在一些需要進行電流檢測的應用中，如電池管理系統、電源監測等，AD8236可以有效地檢測微小的電流變化，并且由于其低功耗特性，不會對系統的整體功耗產生太大影響。

3. 便攜式設備

對于各種便攜式電子設備，如智能手機、平板電腦等，AD8236的小尺寸和低功耗特點使其成為理想的選擇，能夠在有限的空間和電池容量下實現高性能的信號放大。

三、電氣性能參數

1. 共模抑制比（CMRR）

不同增益下的CMRR表現不同，例如在G = 5時，DC CMRR為86 - 94dB；G = 100時，可達100 - 110dB。CMRR會隨著增益的增加而提高，這有助于在不同增益設置下更好地抑制共模干擾。

2. 噪聲性能

電壓噪聲譜密度在f = 1kHz、G = 5時為76nV/√Hz，0.1Hz至10Hz的峰 - 峰值噪聲在G = 5和G = 200時均為4μVp - p，電流噪聲為15fA/√Hz。低噪聲性能保證了放大器在處理微弱信號時的準確性。

3. 電壓失調

輸入失調電壓VOS為3.5mV，平均溫度系數（TC）在 - 40°C至 + 125°C范圍內為2.5μV/°C。電壓失調會影響放大器的輸出精度，而較低的溫度系數可以減少溫度變化對失調電壓的影響。

4. 輸入電流

輸入偏置電流在常溫下為1 - 10pA，在 - 40°C至 + 85°C和 - 40°C至 + 125°C的過溫情況下分別為100pA和600pA；輸入失調電流在常溫下為0.5 - 5pA，過溫情況下會有所增加。

5. 動態響應

小信號帶寬和建立時間與增益有關。例如，G = 5時，小信號帶寬為23kHz，0.01%建立時間為444μs；G = 200時，小信號帶寬為0.4kHz，建立時間為1816μs。了解動態響應參數有助于在不同的應用場景中選擇合適的增益設置。

6. 增益特性

增益范圍為5至200（雖然規格書中只列出了低到中增益，但增益可以設置超過200），增益誤差在不同增益下有所不同，如G = 5時，增益誤差為0.005 - 0.05%。增益的非線性度在不同增益和負載電阻下也有相應的指標，例如G = 5、RL = 10kΩ或100kΩ時，非線性度為2 - 10ppm。

四、工作原理

AD8236是一款單片2運放儀器放大器，其簡化原理圖展示了內部的電路結構。它通過放大正輸入（+IN）和負輸入（ - IN）之間的差值來實現信號放大，REF引腳可以用于對輸出信號進行電平偏移，方便與后續的濾波器或模數轉換器（ADC）接口。其輸出電壓計算公式為 (V_{OUT }=G times(VINP - VINM)+VREF) 。

增益設置通過在RG引腳之間連接電阻來實現，默認增益G = 5。當需要設置其他增益時，可以根據公式 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 計算所需的電阻值。

五、布局與設計要點

1. 電路板布局

在進行電路板布局時，要特別注意避免在輸入路徑下方放置金屬，以減少漏電流，充分發揮AD8236低輸入偏置電流的優勢。

2. 參考端子（REF）

REF引腳是輸出信號的參考點，為了確保輸出的準確性，REF引腳的走線應連接到AD8236的本地接地或參考本地接地的電壓。同時，為了獲得最佳性能，應保持REF引腳的源阻抗較低，以避免寄生電阻對CMRR和增益精度的影響。

3. 電源供應

雖然AD8236具有較高的電源抑制比（PSRR），但為了獲得最佳性能，仍應使用穩定的直流電壓為其供電。在電源引腳附近應放置0.1μF的旁路電容，進一步遠離器件的位置可以使用10μF的鉭電容進行去耦。

4. 輸入保護

AD8236的所有引腳都具有ESD保護功能，輸入結構可以承受一定的直流過載條件。但為了限制高于正電源的電壓電流，應在每個輸入串聯一個外部電阻。對于遇到極端過載電壓的應用，還需要使用外部串聯電阻和低泄漏二極管鉗位。

5. RF干擾處理

由于AD8236的每個輸入具有3.1pF的柵極電容，匹配的串聯電阻可以形成自然的低通濾波器，減少高頻整流問題。如果需要消除高頻共模信號，可以在放大器的輸入處放置一個低通RC網絡。

六、應用案例分享

1. AC耦合儀器放大器

通過在反饋中連接一個積分器，可以創建一個高通濾波器，用于拒絕直流電壓和偏移。當信號頻率超過高通濾波器的截止頻率時，AD8236輸出經過高通濾波的輸入信號。

2. 低功耗心率監測儀

AD8236在低功耗心率監測儀中表現出色。它可以測量人體的生物電位信號，抑制共模信號，并作為初級增益級。后續的電路可以進一步處理信號，如通過高 - 低通濾波器和抗混疊濾波器，最終將信號輸入到ADC進行數字化處理。

七、總結

AD8236作為一款低功耗、高性能的儀器放大器，在醫療儀器、便攜式設備等領域具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計相關產品時，可以充分利用其低功耗、高CMRR、零輸入交越失真等特性，但同時也要注意電路板布局、電源供應、輸入保護等設計要點，以確保放大器能夠發揮最佳性能。大家在實際應用中有沒有遇到過類似放大器的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。