单片仪表放大器
为了满足对更容易应用的仪表放大器的需求，ADI公司研发出单片IC仪表放大器。这些IC包含对如前所述的三运放和双运放仪表放大器电路的改进，同时提供激光微调的电阻器和其它有益於单片IC的技术。由於有源器件和无源器件现在都在同一颗管芯内，所以它们能够精密匹配——这保证了器件提供高CMR。另外，这些器件在整个温度范围内保持匹配，从而保证了在宽温度范围内优良的性能。
IC技术（例如，激光晶圆微调）能够使单片集成电路调整到极高精度并且提供低成本、高量产。单片仪表放大器的另一个优点是它们可以采用尺寸极小、成本极低的SOIC或MSOP封装，适合用於高量产。表1提供一个ADI公司仪表放大器性能快速一览表。
图1. AD8221原理图
一、采用仪表放大器还是差分放大器
尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。
差分放大器本质上是一个运放减法器，通常使用大阻值输入电阻器。电阻器通过限制放大器的输入电流提供保护。它们还将输入共模电压和差分电压减小到可被内部减法放大器处理的范围。总之，差分放大器应当用於共模电压或瞬态电压可能会超过电源电压的应用中。
与差分放大器相比，仪表放大器通常是带有两个输入缓冲放大器的运放减法器。当总输入共模电压加上输入差分电压（包括瞬态电压）小於电源电压时，应当使用仪表放大器。在最高精度、最高信噪比（SNR）和最低输入偏置电流（IB）是至关重要的应用中，也需要使用仪表放大器。 二、单片仪表放大器内部描述
1、高性能仪表放大器
ADI公司於1971年推出了第一款高性能单片仪表放大器AD520，2003年推出AD8221。这款仪表放大器采用超小型MSOP封装并且在高於其它同类仪表放大器的带宽内提供增加的CMR。它还比工业标准AD620系列仪表放大器有很多关键的性能提高。
图2. AD8221的引脚排列
AD8221是一种基於传统的三运放结构的单片仪表放大器（见图1）。输入三极管Q1和Q2在恒定的电流条件下被偏置以便任何差分输入信号都使A1和A2的输出电压相等。施加到输入端的信号产生一个通过RG、R1和R2的电流以便A1和A2的输出提供正确的电压。从电路结构上，Q1、A1、R1和Q2、A2、R2可视为精密电流反馈放大器。放大的差分信号和共模信号施加到差分放大器A3，它抑制共模电压，但会处理差分电压。差分放大器具有低输出失调电压和低输出失调电压漂移。经过激光微调的电阻器允许高精密仪表放大器具有增益误差典型值小於20ppm并且CMR超过90dB（G=1）。
图3. AD8221的CMR与频率的关系
图4. AD8221的闭环增益与频率的关系
图5. AD620原理图
图6. AD620的闭环增益与频率的关系
AD8221使用超β输入三极管和一个IB补偿电路，它可提供极高的输入阻抗，低IB，低失调电流（IOS），低IB漂移，低输入IB噪声，以及8nV/（Hz）1/2极低电压噪声。
AD8221的增益公式为∶增益。
AD8221采用精心设计以保证用户能够使用一苹外部的标准阻值的电阻器很容易和精确地设置
由於AD8221的输入放大器采用电流反馈结构，所以它的增益带宽乘积可以随增益提高，从而构成一个在提高增益时没有电压反馈结构的带宽降低的系统。
为了甚至在低输入信号幅度条件下也能保持精密度，对AD8221的设计和布线采用了特别细心的考虑，因而能使仪表放大器的性能满足甚至要求最严格的应用（见图3和图4）。 AD8221采用独特的引脚排列使其达到无与伦比的CMR技术指标，在10kHz（G = 1）条件下为80dB，在1kHz（G = 1000）条件下为110dB。平衡的引脚排列，如图2所示，减少了过去对CMR性能有不利影响的寄生效应。另外，新的引脚排列简化了PCB布线，因为相关的印制线都分组靠近在一起。例如，增益设置电阻器引脚与输入引脚相邻，并且参考脚靠近输出引脚。 多年来，AD620已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器。AD620是一种完整的单片仪表放大器，提供8引脚DIP和SOIC两种封装。用户使用一苹外部电阻器可以设置从1到1,000任何要求的增益。按照设计要求，增益10和100需要的电阻值是标准的1%金属膜电阻值。
AD620（见图5）是传统AD524仪表放大器的第二代产品并且包含一个改进的传统三运放电路。经过激光微调的片内薄膜电阻器R1和R2，允许用户仅使用一苹外部电阻器便可将增益精确设置到100，最大误差在±0.3%之内。单片结构和激光晶圆微调允许电路元器件的精密匹配和跟踪。
图7. AD620的CMR与频率的关系
图8. AD620的增益非线性(G=100, RL=10kΩ,垂直刻度: 100μV=10ppm, 水平刻度2V/div)
图9. AD620的小信号脉冲响应(G=10，RL=2kΩ，CL=100pF)
图10. AD621原理图
由Q1和Q2构成的前置放大器级提供附加的增益前端。通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路反馈使通过输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，由此使输入电压加在外部增益设置电阻器RG的两端。这就产生一个从输入到A1/A2输出的差分增益G，G=（R1＋R2）/RG＋1。单元增益减法器A3消除了任何共模信号，并产生一个相对於REF引脚电位的单端输出。 RG的值还决定前置放大器级的跨导。为了提供增益而减小RG时，前置放大器级的跨导逐渐增加到相应输入三极管的跨导。这有三个主要优点。第一，随著设置增益增加，开环增益也随著增
加，从而降低了增益相对误差。第二，（由C1、C2和前置放大器跨导决定的）增益带宽乘积随著设置的增益一起增加，因而优化了放大器的频率响应。图6示出AD620的闭环增益与频率的关系。
AD620还在宽频率范围内具有优良的CMR，如图7所示。图8和图9分别示出AD620的增益非线性和小信号脉冲响应。
第三，输入电压噪声减少到9nV（Hz）1/2，主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定的。 内部增益电阻器R1和R2的阻值已经调整到24.7kΩ，从而允许只利用一苹外部电阻器便可精确
地设置增益。增益公式为∶这
，电阻器RG以kΩ为单位。
选择24.7kΩ阻值是以便於可使用标准1%电阻器设置最常用的增益。
AD621与AD620类似，只是设置10和100倍增益的增益电阻器已经集成在芯片内——无需使用外部电阻器。选择100倍增益只需要一个外部跨接线（在引脚1和8之间）。对於10倍增益，断开引脚1和引脚8。它在规定温度范围内提供优良的增益稳定性，因为片内增益电阻跟踪反馈电阻的温度系数（TC）。图10是AD621的原理图。AD621具有0.15%最大总增益误差和±5ppm/℃增益漂移，它比AD620的片内精度高出许多。
图11. AD621的CMR与频率的关系
图12. AD621的闭环增益与频率的关系
AD621也可使用一苹外部增益电阻设置在10和100之间的增益，但增益误差和增益温度漂移会变坏。使用外部电阻器设置增益公式为∶ G=（R1＋R2）/RG+1
图11和图12分别示出AD621的CMR与频率的关系以及闭环增益与频率的关系。图13和图14分别示出AD621的增益非线性和小信号脉冲响应。
图13. AD621的增益非线性(G=10, RL=10kΩ，垂直刻度∶100μV/div=100ppm/div，水平刻度
2V/div)
图14. AD621的小信号脉冲响应(G=10，RL=2kΩ，CL=100pF)
图15. AD8225原理图
2、固定增益仪表放大器
AD8225是一种增益为5的精密单片仪表放大器。图15示出它是一个三运放仪表放大器。单位增益输入缓冲器由超βNPN三极管Q1和Q2以及运放A1和A2组成。这些三极管被补偿以使它们的输入偏置电流极低，典型值为100pA或更低。因此，电流噪声也很低，仅50fA/（Hz）1/2。输入缓冲器驱动一苹增益为5的差分放大器。因为3kΩ和15kΩ电阻是比率匹配的，所以增益稳定性在额定温度范围内优於5ppm/℃。
与通常的可变增益仪表放大器的单位增益补偿相比，AD8225具有宽增益带宽乘积，由於它被补偿到5 倍固定增益。AD8225创新的引脚排列也提高了高频性能。由於引脚1和8未用，所以引脚1可连接到引脚4。由於引脚4也是AC接地，所以平衡了引脚2和3上的寄生电容。
3、低成本仪表放大器
AD622是AD620的低成本版本（见图5）。AD622采用改进的生产方法以便以较低成本提供AD620的大多数性能。图18、图19和图20分别示出AD622的CMR与频率的关系，增益非线性以及闭环增益与频率的关系。
图16. AD8225的CMR与频率的关系
图17. AD8225的增益非线性
图18. AD622的CMR与频率的关系(RTI，0~1kΩ源阻抗不平衡)
图19. AD622的增益非线性(G=1，RL=10kΩ；垂直刻度∶2μV=2ppm)
图20. AD622的闭环增益与频率的关系
图21. AD623原理图
4、单电源仪表放大器
单电源仪表放大器有一些特殊的设计问题需要解决。输入级必须能够放大处於接地电位（或非常接近接地电位）的信号，并且输出级摆幅要能够接近地电位或电源电压，即高於地电位或低於电源电压几个毫伏（mV）。低电源电流也很重要。并且，当仪表放大器工作在低电源电压时，它需要有足够的增益带宽乘积、低失调电压漂移和优良的CMR与增益以及CMR与频率的关系。 AD623是一种在三运放仪表放大器电路基础上经过改进的仪表放大器以保证单电源或双电源工作，甚至能工作在共模电压或者低於负电源电压（或单电源工作时，低於接地电位）。其它特点包括R-R输出电压摆幅，低电源电流，超小型封装，低输入和输出失调电压，μV级DC失调电压漂移，高CMR，以及仅用一苹外部电阻器设置增益。
如图21所示，输入信号施加到PNP三极管作为电压缓冲器和DC电平移位器。在每个放大器（A1和A2）反馈路径中采用一苹精度调整到0.1%以内的50kΩ电阻器保证精确的增益设置。
差分输出为∶这
以kΩ为单位。
使用输出差分放大器，将差分电压转换为单端电压，也抑制了输入放大器输出端上的任何共模信号。
由於上述所有放大器的摆幅都能达到电源电压的任一端，并且它们的共模范围扩展到负电源电压以下，因而进一步提高了AD623的摆幅范围。
应当注意，不像双电源输入电流补偿的仪表放大器（例如，AD620），Q1和Q2的基极电流直接流出输入端。由於这两个输入端（即Q1和Q2的基极）可工作在接地电位（即，0V或更准
确的说，低於接地电位200mV），所以为AD623提供输入电流补偿是不可能的。但是，AD623的输入偏置电流仍非常小∶最大值仅25nA。
图22. AD623的闭环增益与频率的关系
图23. AD623的CMR与频率的关系(VS=±5V)
图24. AD623的增益非线性(G=-10,50ppm/div)
图25. AD623的小信号脉冲响应(G=10，RL=10kΩ，CL=100pF)
图26. AD627原理图
图27. AD627的CMR与频率的关系
图28. AD627的闭环增益与频率的关系
图29 . AD627的增益非线性(VS=±2.5V，G=5，4ppm/垂直分格)
图30. AD627图的小信号脉冲响应(VS=±5V，G=+10,RL=20KΩ，CL=50pF,20μs/水平分
格,20mV/垂直分格)
引脚6上的输出电压是相对引脚5上的参考端电位测量的。参考端引脚的阻抗是100kΩ。内部ESD箝位二极管允许AD623的输入端、参考端、输出端和增益端安全地耐受高於或低於电源电压0.3V 的过压。对於所有增益，并且在开机或关机时都是这样。对於後一种情况尤其重要，因为信号源和仪表放大器可能是分开供电的。如果预期过压超过这个值，使用外部限流电阻器，应该限制流过这些二极管的电流到10mA。这些电阻器的阻值由仪表放大器的噪声幅度、电源电压以及所需要的过压保护确定。
当AD623的增益增加时，会减小它的带宽，因为A1和A2是电压反馈运算放大器。但是，AD623甚至在较高增益下，它仍有足够的带宽适合许多应用。
AD623的增益是通过引脚1和8之间的RG电阻器或由更精确的其它方法构成的阻抗进行设置的。图22示出AD623的增益与频率的关系。AD623使用0.1%~1%允许误差的电阻器经过激光微调以达到精确增益。
表2示出对应各种增益所需要的RG值。注意，对於G=1，RG两端不连接。对於任何任意的增益，RG可使用以下公式计算∶ RG=100 kΩ/（G-1）
图23示出AD623的CMR与频率的关系。注意在增益增加到100时还具有很高的CMR，并且当频率高达200Hz时，在很宽的频率范围内CMR仍然很高。这保证了电源共模信号（以及它们的谐波）的衰减。图24示出AD623的增益非线性。图25示出AD623的小信号脉冲响应。 5、低功耗、单电源仪表放大器
AD627是一种单电源、微功耗仪表放大器，它仅使用一苹外部电阻器可将增益配置在5和1,000之间。它采用3V~30V单电源提供R-R输出电压摆幅。它在3V电源工作条件下具有仅60μA（典型值）静态电源电流，其总功耗小於180μW。
图26是AD627的原理图。AD627是使用两个反馈环路构成的真正仪表放大器。它的通用特性类似於那些传统的双运放仪表放大器，并且可认为是双运放仪表放大器，但是其内部细节有些不同。
AD627采用改进的电流反馈电路，与内级前馈频率补偿电路耦合，因而在DC以上（特别是50Hz~60Hz电源频率）的频率条件下具有比其它低功耗仪表放大器更好的共模抑制比（CMRR）。 如图26所示，A1与V1和R5连接构成一个完整的反馈环路，迫使流过Q1集电极电流恒定。假设此时不连接增益设置电阻器（RG）。电阻器R2和R1完成环路并且迫使A1的输出电压等於具有1.25（几乎精确）增益的反向端电压。由A2构成的几乎相同的反馈环路迫使一个电流流过Q2，它本质上与流过Q1的电流相同，并且A2也提供输出电压。当两个环路都平衡时，从同向端到VOUT的增益等於5，而从A1的输出到VOUT的增益等於-4。A1的反向端增益（1.25）乘以A2的增益（-4）使反向端和同向端的增益相等。
差模增益等於1+R4/R3，标称值为5，并且具有工厂调整过的0.01%最终精度（AD627B典型值）。增加一苹外部增益设置电阻器（RG）将增益提高（R4+R1）/RG。AD627的增益由以下公式给出∶ 从R1到R4的电阻器经过激光微调以保证它们的阻值尽可能接近增益公式中的绝对值。这保证了在所有实际增益条件下器件具有低增益误差和高CMR。
图27示出AD627的CMR与频率的关系。图28和图29分别示出AD627的增益与频率的关系以及增益非线性。AD627还具有优良的动态响应，如图30所示。
四、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3-17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。
R2R3R4R10-+000-+00000U0R5A1Ui2R6A2
Ui1该电路的输出电压由叠加原理可得
图3-17 同相串联差动放大器
V0?(1?R2RR)Vi1(?4)?(1?4)Vi2 R1R3R3RR ??(1?4)Vi1?(1?4)Vi2
R3R3R=(1?4)(Vi2?Vi1)
R3从而求得差模闭环增益
Ad?A0R?1?4
Vi2?Vi1R3（二）同相并联差动放大器
图3-18为同相并联差动放大器。该电路与图3-17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。
Ui1+-000U010R3R5A1IR1R7R2A3-000+00U0R6-0R40Ui20+U02A2图3-18 同相并联差动放大器
由图3-18可知：
V01?Vi1?IR1V02?Vi2?IR2 I?Vi1?Vi2R7将I 代入V01，V02可得
Vi1?Vi2RR)R1?Vi1(1?1)?1Vi2 R7R7R7V?Vi2R2R2V02?Vi2?(i1)R2?Vi2(1?)?Vi1
R7R7R7RR?R2R5V0?5(V02?V01)?(1?1)??Vi2?Vi1?
R3R7R3V01?Vi1?(
由此可得电路差模闭环增益
Ad?(1?R1?R2R5) R7R3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3-19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。
Ui100+-0U010R1UAR2A10A3-+000U00-+0R30Ui20U02R4UBR5RWA2A4
图3-19增益线性可调差动放大器
图3-19中，由叠加原理可得
00U04+0-0
VA?R2R2V01?Vi1
R1?R2R1?R2R3R3R5R4R4VB?V02?V04?Vi2?V0
RR3?R4R3?R4R3?R4R3?R4W
因VA=VB，整理上两式，且当R1=R2=R3=R4时，输出电压
V0?RW(Vi2?Vi1) R5电路闭环增益
Ad?RW R5
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3-20所示。
+EC0+-0U0100A1-EC+EC.R1R0R7R5A4R2R0R4-EC0-000+
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
0+000..-.A2
R3Uc0A30-+00U0R6U02图3-20 高共模抑制比差动放大器
V01?Vi1(1?V02?Vi2(1?R1R)?1Vi2R7R7R2R)?2Vi1R7R7
当R1=R2时，可证明连接点电位
VC?11(V01?V02)?(Vi1?Vi2) 22
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3-20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
1. AD620仪表放大器简介
图3-21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（3-20）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）
?2R??V0??1???(V1?V2) （3-20） RX??
U1+-000R0RA1RRxRA3-000+00U0R-0R0U20+A2
图3-21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3-22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（3-21）、式（3-22）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。
RG RG 8 1
-IN2 7 +VS
R 3 6 +IN OUTPU
-VS REF4 5
G图3-22 AD620 仪表放大器的引脚图
G?即
49.4K??1 （3-21） RG49.4K? （3-22）
G?1RG?
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3-23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，
+Vdc 3 Vin + 6 Vout - 2
— -Vdc 图3-23 AD620电压放大电路图
由式（3-22）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用法介绍以及典型电路连接要点
