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| 高速高性能仪用放大器AD8225及其应用 | |||||
作者：李智 李刚 文章来源：Internet 点击数： 更新时间：2007-5-17  |
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关键词：共模抑制比；转换速率；开环带宽；前置放大电路 李智 李刚 天津大学ADI联合实验室 概述 放大器的参数有很多种，但在应用中，所选用的放大器的类型一般都取决于某些关键指标。例如：选择一种高速的放大器时，偏置电流要比电压失调和漂移重要，而偏置电流与带宽相比，后者则更为重要。高速运算放大器以转换速率高、建立时间短和频带宽为特征，其高转换速率对缓冲器、DAC和多路转换中模拟信号的快速变化和切换等应用来说是举足轻重的，而且宽频带在前置放大和处理宽频带交流小信号应用中是非常关键的参数。因此在设计上述应用电路时，一般要选择具有高转换速率和宽频带的高速运算放大器。 AD8225是美国ADI(Analog Devices Inc)公司推出的一款增益为5的高速运算放大器。AD8225的突出特点是具有优异的动态性能和很高的共模抑制比，AD8225在10 kHz时的CMRR最小为80 dB，并可很好地抑制来自工业设备和其它辐射源的噪声，特别适合高精度电路的设计；当采用4~36 V的单级电源供电时，其开环带宽SW为900 kHz，而普通运放的SW仅为几～几十kHz。所以，AD8225更适合处理较高频率的信号；此外，AD8225还具有高转换速率SR(最小为5V/μs)，普通运放的SR仅为1 V/μs。因此，在设计后级电路、具有阶跃形式的信号放大电路和驱动电路等必须考虑运放的SR的电路时，AD8225都是不错的选择。AD8255的主要性能如下： ◆ 无需外部器件，其增益固定为5，稳定性好，低功耗，可提供的最大输出电流为1.2 mA。 ◆ 既可单电源供电，也可双电源供电，电源电压范围为1.7~18V。 ◆ 具有优异的动态性能和共模抑制比，10 kHz时的CMRR最小为80 dB；电源电压为4~36 V时，开环带宽为900 kHz；转换速率最小为5 V/μs。 ◆ 具有突出的直流精度和低增益漂移(最大为5 ppm/℃)；输入失调电压低(最大为150μV)；且输入偏置电流也很低(最大为1.2 nA)。 ◆ 封装形式为8引脚的SOIC型，工作温度范围为-40℃～ +85℃。 由于AD8225有着高速交流性能和高精度的直流性能，因此，可广泛应用于医疗监护系统、电流传送器、多路复用系统、4～20 mA电流转换、桥式传感器、传感器信号调节器等系统之中。 引脚排列 AD8225的封装形式为8引脚SOIC，图1为 AD8255的引脚排列图；表1为各引脚的功能描述。   AD8225的极限参数如下： ◆ 供电电压：±18 V； ◆ 功耗：650mW； ◆ 输出短路时间：无限； ◆ 共模输入电压：±Vs； ◆ 差分输入电压：±25V； ◆工作温度范围为：-40℃～+85℃； ◆ 贮存温度范围为：-65℃～+125℃。 应用设计 ◆ 高精度V-I转换器 模拟小电压信号在远距离传送的过程中可能会引入周围环境中的电气噪声，从而产生寄生电容和串联阻抗等。而如果将要传送的电压转换为电流信号进行传送，周围环境的干扰所引起的误差就会减小。因此，可在电压信号源处连接一个V-I转换器，把电压信号转换成电流信号，然后在电路的接收端连接一个V-I转换器，再进行相反的转换。图2是基于AD8225的电流发送器与接收器所构成的电流循环系统。图2电路的输出满幅电流为5 mA。  图2中，发送器部分由AD8225、OP27和4个电阻来共同组成V-I转换器，在电路的另一端，AD8225作为接收器进行信号的I-V转换，这样可对传送电流信号途中引入的高频共模电压信号起到有效的抑制作用。这里需要注意的是，接收器的参考电压要与逻辑地或者REF相连接。 ◇ 高分辨率ADC驱动电路 大多数高精度ADC都采用差分输入形式，这样会使ADC的信噪比提高6 dB，从而提高了ADC的精度。AD8255可以驱动输入为差分形式的ADC。图3是由AD8255驱动的、输入为差分形式的ADC的电路。图中使用了两个AD8255，如果要用一个AD8255来驱动差分形式输入的ADC，可将ADC的反相输入端接地。图3中的AD7675是一种SAR型模数转换器。当对输入信号采样的时候，它内部的采样—保持电容可以起到保持输入电平的作用。由于AD8255的输出端不能抑制瞬时浪涌，所以当瞬时浪涌发生的时候，输出端会产生一个短时脉冲波形干扰。设计时可以通过将A/D的输入端通过一个2.7 nF的电容接地，来消除这种瞬时浪涌干扰。而AD8255的输出端不能通过大于100pF的电容接地，所以需要用一个75Ω电阻串联在AD8255的输出和A/D输入端之间，来防止自激。需要注意的是，在图3中，AD8225的引脚5(也就是参考电压的输入端)是由一个电压源来驱动的。这是因为在参考电压输入端的内部有平衡电阻，可用来抑制共模信号。任何一个与这个引脚相连的外部电阻都会破坏由内部的两个15kΩ和两个3kΩ电阻构成的桥接网络的平衡，从而使输入端的共模信号产生一个错误的电压信号，该信号可能会影响输出。  ◇ 基于AD8255的心电图机(EKG)前置电路 各种低电平的生物电压信号(如心电)，对前置放大器都有较高的要求。一般要求其应有较高的输入阻抗(2MΩ以上)、较低的漏电流(0.1μA)、较低的噪声电平(10uVpp以下)和较高的共模抑制比(60dB以上)。这样才能从高电平的噪声信号和直流漂移信号中检测到微弱的生物电压信号。一个典型的心电图机的结构图如图4所示。该心电图机主要包括：导联选择器、保护电路、滤波器、前置放大电路、主放大电路、ADC、隔离装置。设计者通常要为前置放大器提供高精度的平衡电阻网络和相匹配的运放。而AD8255作为高精度的放大器，不但可以代替图4中用虚线框中的电路，而且能够解决在设计心电图机前置放大器的过程中所产生的许多误差。这些误差包括：交流噪声信号通过患者身体产生的电压误差和由于患者身上电极的不平衡产生的电压误差。这些误差电压都可能大于想要测量的信号。  图4中的典型前置放大电路是由三个运放构成的。这个前置放大器的增益由作为输入端放大器的A1、A2来决定，同时由它们构成差分形式的输入，但这样会减小共模输入电压的范围。整个前置放大器的增益小于或等于10(后面的主放大器可以将增益提高到1000)。虽然AD8225也是由三运放设计构成的，但是它的增益是由作为输出端的第三个放大器来决定的，这就提高了输入共模电压的范围。当AD8255使用±5 V电源时，共模电压范围为-3.4~+4 V。而同样放大倍数的情况下，常规的前置放大电路的共模电压范围-3.1~+3.8 V 相比，可见，有7%的改进。基于AD8225的心电图机前置放大电路如图5所示。事实上，在一个低功耗的系统中，AD8225可以与患者直接相连接，如果需要一个缓冲，AD8225可以代替昂贵的高精度电阻网络和相应的放大器。  ◇ 应用于多路复用系统中 普通运放的转换率一般大约为1 V/μs，而AD8225的转换速率则可达到5 V/μs，因此，与普通的运放相比，AD8225更适合应用在与多个传感器相连接的多通道电路中。图6所示的是模拟多路复用器ADG409和AD8225、ADC的连接电路。在图6中，ADG409输入两个相差较大的电平(2 V、0.2 V)，它的输出与AD8225相连接，同时由AD8225驱动一个ADC。因为ADC的采样时间会受到放大器的转换速率的限制，所以，放大器的高转换率在这种情况下是非常必要的，尤其是在放大器的两个输入电平相差很大的时候。  结束语 AD8225是美国ADI公司推出的增益为5的高性能仪用放大器，它的突出特点是具有优异的动态性能，因而有广阔的应用前景。本文详细介绍了AD8225的主要特点、引脚排列和功能，同时给出了AD8225的几个具体应用电路。 参考文献 [1] Analog Devices,Inc., http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/516725190AD8225_a.pdf. [2] 王保华.生物医学电子学[M].北京：高等教育出版社，1998. [3] 李刚，林凌.现代测控电路[M].北京：高等教育出版社，2004. |
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