低成本宽电源范围仪表放大器AD8226的特性与应用

在电子设计领域，对于一款性能优良的仪表放大器的需求始终存在。AD8226作为一款低成本、宽电源范围的仪表放大器，凭借其独特的特性和广泛的应用场景，成为工程师们的热门选择。下面我们就来深入了解一下AD8226的详细信息。

文件下载：AD8226.pdf

一、AD8226的特性亮点

1. 增益设置简单灵活

AD8226仅需一个外部电阻就能设置1到1000之间的任意增益，增益计算公式为 (G = 1 + frac{49.4 kOmega}{R_{G}}) 。当不使用增益电阻时，默认增益 (G = 1) 。这种简单的增益设置方式为工程师在不同增益需求的设计中提供了极大的便利。

2. 宽电源范围与输入输出特性

• 电源范围：支持单电源2.2 V到36 V，以及双电源 ±1.35 V到 ±18 V，适应多种电源环境。
• 输入特性：输入电压可以低于地电位，输入保护能力强，能承受超出电源的电压。例如，在 ±5 V 电源下，输入能承受 ±35 V 电压而不损坏。
• 输出特性：具备轨到轨输出能力，使信号能充分利用电源轨，在处理小信号时无需双电源。

3. 良好的电气性能

• 带宽：在增益 (G = 1) 时，带宽可达1.5 MHz，能满足一定频率范围内的信号处理需求。
• 共模抑制比（CMRR）：在 (G = 1) 时，BR 型号的 CMRR 最低为90 dB，有效抑制共模信号干扰。
• 输入噪声：输入噪声为22 nV/√Hz，典型电源电流为350 μA，在低噪声和低功耗方面表现出色。
• 工作温度范围：指定工作温度范围为 -40°C 到 +125°C，适用于多种恶劣环境。

二、AD8226的应用场景

1. 工业过程控制

在工业生产中，需要对各种参数进行精确测量和控制。AD8226的宽电源范围、高 CMRR 和低噪声特性，使其能够准确放大来自传感器的微弱信号，为工业过程控制提供可靠的数据支持。

2. 桥路放大器

对于桥路传感器输出的小信号，AD8226可以进行有效的放大。其输入能承受超出电源的电压，保证了在桥路应用中的稳定性和可靠性。

3. 医疗仪器

医疗仪器对信号的准确性和稳定性要求极高。AD8226的低噪声、宽电源范围和良好的温度特性，使其能够满足医疗仪器对微弱生物电信号放大的需求。

4. 便携式数据采集

在便携式设备中，低功耗是关键因素。AD8226的低电源电流特性，使其非常适合用于便携式数据采集系统，延长设备的电池续航时间。

5. 多通道系统

AD8226的 MSOP 封装体积小，适合在空间受限的多通道系统中使用。同时，其最低增益为1，能轻松处理 ±10 V 信号，满足多通道系统对信号处理的要求。

三、AD8226的工作原理与架构

AD8226基于经典的3运放拓扑结构，包含前置放大器和差分放大器两个阶段。前置放大器提供差分放大，差分放大器去除共模电压。

1. 第一阶段（前置放大器）

为了保持偏置电阻 (R{B}) 上的恒定电压，运放 A1 使节点 3 的电压保持在正输入电压之上一个恒定的二极管压降；同理，A2 使节点 4 的电压保持在负输入电压之上一个恒定的二极管压降。这样，差分输入电压的副本就加在了增益设置电阻 (R{G}) 上，流经该电阻的电流也会流经 R1 和 R2 电阻，从而在 A2 和 A1 的输出之间产生放大的差分信号。同时，原始的共模信号也会存在，只是向上偏移了一个二极管压降。

2. 第二阶段（差分放大器）

由运放 A3 和四个 50 kΩ 电阻组成，其作用是从放大的差分信号中去除共模信号。AD8226的传递函数为 (V{OUT }=Gleft(V{IN+}-V{IN-}right)+V{REF}) ，其中 (G = 1 + frac{49.4 kOmega}{R_{G}}) 。

四、设计注意事项

1. 增益选择

在选择增益时，要考虑外部增益设置电阻 (R_{G}) 的公差和增益漂移对系统总增益精度的影响。当需要增益为 5 且对增益漂移要求较高时，可以考虑使用 AD8227 。

2. 参考端子

参考端子 REF 必须由低阻抗驱动，其电位决定了输出电压。REF 端的额外阻抗会影响 CMRR ，因此源阻抗应保持在 2 Ω 以下。

3. 输入电压范围

AD8226的输入电压范围受增益、共模输入电压、差分输入电压和参考电压的影响。在设计时，可参考相关图表和公式来确定输入电压范围，为了获得最佳性能，建议设计时预留几百毫伏的余量。

4. 布局设计

• 共模抑制比：为了保持高的 CMRR ，输入源阻抗和电容应紧密匹配，输入路径中的额外源电阻应靠近放大器输入，增益设置引脚的寄生电容应尽量小。
• 电源：应使用稳定的直流电压为放大器供电，电源引脚的噪声会影响性能，可在每个电源引脚附近放置 0.1 μF 电容，并在稍远处使用 10 μF 钽电容。
• 输入偏置电流返回路径：输入偏置电流必须有返回地的路径，当源无法提供返回路径时，需要人为创建。

5. 输入保护与射频干扰抑制

• 输入保护：AD8226本身输入保护能力强，但在遇到超出允许范围的电压时，可使用外部限流电阻和低泄漏二极管钳位。
• 射频干扰（RFI）：在强 RF 信号环境中，可在放大器输入处使用低通 RC 网络过滤高频信号，以减少 RF 整流带来的干扰。

五、AD8226的应用电路示例

1. 差分输出电路

通过配置 AD8226 和运算放大器，可以实现差分输出。差分输出电压由 (V_{DIFFOUT }=V{OUT+ }-V{OUT- }=Gain × left(V{IN+}-V{IN-}right)) 确定，共模输出电压由 (V{CMOUT }=left(V{OUT+ }+V{OUT- }right) / 2=V{BIAS }) 确定。为了获得最佳的交流性能，建议选择增益带宽至少为 2 MHz、压摆率为 1 V/μs 的运算放大器。

2. 驱动 ADC 电路

根据不同的应用需求，有三种驱动 ADC 的电路方案：

• 驱动低频信号：使用电容为 ADC 采样电容提供电荷，电阻保护 AD8226 免受电容影响，适用于低频信号。
• 驱动高频信号：使用具有较高带宽和输出驱动能力的精密运算放大器，适用于高频应用。
• 保护 ADC 免受大电压影响：在 AD8226 输出可能超出 ADC 电源范围的情况下，使用电阻限制流入运算放大器的电流，保证系统的安全性。

AD8226以其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师在信号放大和处理领域提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择增益、注意布局和保护措施，以充分发挥 AD8226 的性能优势。大家在使用 AD8226 的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有一些特别的设计思路呢？欢迎在评论区分享交流。