低功耗儀器放大器AD8236：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作為電子工程師，在設(shè)計(jì)各類電子設(shè)備時(shí)，選擇合適的放大器至關(guān)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(xiàn)。

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一、AD8236的特性亮點(diǎn)

1. 低功耗設(shè)計(jì)

AD8236的最大電源電流僅為40μA，這一特性使其在電池供電的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。比如在一些便攜式醫(yī)療設(shè)備中，低功耗意味著可以減少電池的更換頻率，提高設(shè)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(diào)電流為0.5pA。低輸入電流可以減少信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)于一些高阻抗信號(hào)源的應(yīng)用場(chǎng)景非常適用。

3. 高共模抑制比（CMRR）

在增益G = 100時(shí)，CMRR可達(dá)110dB。高CMRR能夠有效抑制共模信號(hào)的干擾，提高放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力，保證輸出信號(hào)的質(zhì)量。

4. 零輸入交越失真

采用創(chuàng)新的輸入級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬軌到軌輸入電壓范圍，且沒(méi)有其他設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的交越失真問(wèn)題。這使得放大器在處理各種輸入信號(hào)時(shí)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(dòng)態(tài)范圍，適用于各種低電壓供電的應(yīng)用。

6. 單電阻設(shè)置增益

通過(guò)在RG引腳之間連接一個(gè)電阻，就可以方便地設(shè)置放大器的增益，計(jì)算公式為 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 。這種簡(jiǎn)單的增益設(shè)置方式提高了設(shè)計(jì)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(yīng)不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 醫(yī)療儀器

在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，如心電圖監(jiān)測(cè)儀、心率監(jiān)測(cè)儀等，AD8236的低功耗、高CMRR和低輸入電流等特性使其能夠準(zhǔn)確地測(cè)量生物電信號(hào)，同時(shí)減少對(duì)患者的負(fù)擔(dān)。

2. 低端電流檢測(cè)

在一些需要進(jìn)行電流檢測(cè)的應(yīng)用中，如電池管理系統(tǒng)、電源監(jiān)測(cè)等，AD8236可以有效地檢測(cè)微小的電流變化，并且由于其低功耗特性，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體功耗產(chǎn)生太大影響。

3. 便攜式設(shè)備

對(duì)于各種便攜式電子設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦等，AD8236的小尺寸和低功耗特點(diǎn)使其成為理想的選擇，能夠在有限的空間和電池容量下實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)放大。

三、電氣性能參數(shù)

1. 共模抑制比（CMRR）

不同增益下的CMRR表現(xiàn)不同，例如在G = 5時(shí)，DC CMRR為86 - 94dB；G = 100時(shí)，可達(dá)100 - 110dB。CMRR會(huì)隨著增益的增加而提高，這有助于在不同增益設(shè)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(shí)為76nV/√Hz，0.1Hz至10Hz的峰 - 峰值噪聲在G = 5和G = 200時(shí)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(hào)時(shí)的準(zhǔn)確性。

3. 電壓失調(diào)

輸入失調(diào)電壓VOS為3.5mV，平均溫度系數(shù)（TC）在 - 40°C至 + 125°C范圍內(nèi)為2.5μV/°C。電壓失調(diào)會(huì)影響放大器的輸出精度，而較低的溫度系數(shù)可以減少溫度變化對(duì)失調(diào)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(guò)溫情況下分別為100pA和600pA；輸入失調(diào)電流在常溫下為0.5 - 5pA，過(guò)溫情況下會(huì)有所增加。

5. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)

小信號(hào)帶寬和建立時(shí)間與增益有關(guān)。例如，G = 5時(shí)，小信號(hào)帶寬為23kHz，0.01%建立時(shí)間為444μs；G = 200時(shí)，小信號(hào)帶寬為0.4kHz，建立時(shí)間為1816μs。了解動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)有助于在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中選擇合適的增益設(shè)置。

6. 增益特性

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

四、工作原理

AD8236是一款單片2運(yùn)放儀器放大器，其簡(jiǎn)化原理圖展示了內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)。它通過(guò)放大正輸入（+IN）和負(fù)輸入（ - IN）之間的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，REF引腳可以用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行電平偏移，方便與后續(xù)的濾波器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口。其輸出電壓計(jì)算公式為 (V_{OUT }=G times(VINP - VINM)+VREF) 。

增益設(shè)置通過(guò)在RG引腳之間連接電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)增益G = 5。當(dāng)需要設(shè)置其他增益時(shí)，可以根據(jù)公式 (R_{G}=frac{420 k Omega}{G - 5}) 計(jì)算所需的電阻值。

五、布局與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電路板布局

在進(jìn)行電路板布局時(shí)，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(fā)揮AD8236低輸入偏置電流的優(yōu)勢(shì)。

2. 參考端子（REF）

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

3. 電源供應(yīng)

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(yīng)使用穩(wěn)定的直流電壓為其供電。在電源引腳附近應(yīng)放置0.1μF的旁路電容，進(jìn)一步遠(yuǎn)離器件的位置可以使用10μF的鉭電容進(jìn)行去耦。

4. 輸入保護(hù)

AD8236的所有引腳都具有ESD保護(hù)功能，輸入結(jié)構(gòu)可以承受一定的直流過(guò)載條件。但為了限制高于正電源的電壓電流，應(yīng)在每個(gè)輸入串聯(lián)一個(gè)外部電阻。對(duì)于遇到極端過(guò)載電壓的應(yīng)用，還需要使用外部串聯(lián)電阻和低泄漏二極管鉗位。

5. RF干擾處理

由于AD8236的每個(gè)輸入具有3.1pF的柵極電容，匹配的串聯(lián)電阻可以形成自然的低通濾波器，減少高頻整流問(wèn)題。如果需要消除高頻共模信號(hào)，可以在放大器的輸入處放置一個(gè)低通RC網(wǎng)絡(luò)。

六、應(yīng)用案例分享

1. AC耦合儀器放大器

通過(guò)在反饋中連接一個(gè)積分器，可以創(chuàng)建一個(gè)高通濾波器，用于拒絕直流電壓和偏移。當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)高通濾波器的截止頻率時(shí)，AD8236輸出經(jīng)過(guò)高通濾波的輸入信號(hào)。

2. 低功耗心率監(jiān)測(cè)儀

AD8236在低功耗心率監(jiān)測(cè)儀中表現(xiàn)出色。它可以測(cè)量人體的生物電位信號(hào)，抑制共模信號(hào)，并作為初級(jí)增益級(jí)。后續(xù)的電路可以進(jìn)一步處理信號(hào)，如通過(guò)高 - 低通濾波器和抗混疊濾波器，最終將信號(hào)輸入到ADC進(jìn)行數(shù)字化處理。

七、總結(jié)

AD8236作為一款低功耗、高性能的儀器放大器，在醫(yī)療儀器、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，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(shí)也要注意電路板布局、電源供應(yīng)、輸入保護(hù)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保放大器能夠發(fā)揮最佳性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)類似放大器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。