SGM621：低功耗、低噪聲的軌到軌輸出儀表放大器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能出色的儀表放大器對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。今天我們就來(lái)詳細(xì)探討一下SGMICRO公司的SGM621低功耗、低噪聲、軌到軌輸出儀表放大器。

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一、產(chǎn)品概述

SGM621是一款高精度、高電壓的儀表放大器，它具有諸多優(yōu)秀特性，使其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。通過(guò)一個(gè)外部電阻，它可以設(shè)置從1到10000的任意增益。其典型靜態(tài)電流僅為1.3mA，低功耗的特性使其非常適合電池供電的應(yīng)用。此外，SGM621提供SOIC - 8和MSOP - 8封裝，相比傳統(tǒng)的離散三運(yùn)放電路，體積更小。

它還具備120ppm（最大值）的非線性和150μV（最大值）的低輸入失調(diào)電壓，同時(shí)擁有低噪聲、低偏置電流和低功耗的特點(diǎn)，這些特性的組合使其成為需要出色直流性能應(yīng)用的理想選擇。在噪聲方面，它在1kHz時(shí)提供6nV/√Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1Hz至10Hz頻段內(nèi)為0.4μV（峰 - 峰值），非常適合前置放大器應(yīng)用。10μs的0.01%建立時(shí)間也使其適用于多路復(fù)用應(yīng)用。

二、產(chǎn)品特性

1. 增益設(shè)置

通過(guò)單個(gè)外部電阻即可設(shè)置增益，范圍從1到10000，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

2. 輸入特性

• 輸入失調(diào)電壓最大為150μV，輸入偏置電流典型值為15nA，保證了輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性。
• 共模抑制比在增益G = 10時(shí)典型值為105dB，有效抑制共模信號(hào)干擾。

  3. 噪聲性能

• 1kHz時(shí)輸入電壓噪聲為6nV/√Hz，0.1Hz至10Hz電壓噪聲為0.4μV（峰 - 峰值），低噪聲特性使其在微弱信號(hào)放大中表現(xiàn)出色。

  4. 帶寬與建立時(shí)間

  帶寬在增益G = 100時(shí)為140kHz，10μs的0.01%建立時(shí)間滿足快速響應(yīng)的需求。

  5. 輸出特性

  軌到軌輸出，支持單電源或雙電源供電，電源電壓范圍為4.6V至36V或±2.3V至±18V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

  6. 功耗與溫度范圍

  低電源電流典型值為1.3mA，工作溫度范圍為 - 40℃至 + 125℃，適用于各種惡劣環(huán)境。

  7. 封裝形式

  提供綠色SOIC - 8和MSOP - 8封裝，符合環(huán)保要求。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 精密電流測(cè)量

在需要高精度測(cè)量電流的場(chǎng)合，SGM621的高精度和低噪聲特性可以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2. 壓力測(cè)量

在壓力傳感器應(yīng)用中，由于其高輸入阻抗，適合檢測(cè)高電阻的壓力傳感器。例如在一個(gè)5V單電源供電的5kΩ壓力傳感器橋電路中，SGM621可以很好地處理輸出信號(hào)，且電路功耗較低。

3. 醫(yī)療ECG放大器

低電流噪聲的優(yōu)勢(shì)使其適用于心電圖監(jiān)測(cè)儀。在電池供電的數(shù)據(jù)記錄器中，SGM621可以在低電源電壓、低功耗和節(jié)省空間的封裝條件下工作。同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路，如利用電容維持右腿驅(qū)動(dòng)環(huán)路的穩(wěn)定性，并添加隔離保護(hù)措施，可以更好地保護(hù)患者安全。

4. 精密V - I轉(zhuǎn)換器

利用一個(gè)SGM621、另一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)電阻，很容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)精密電流源。為了獲得更好的共模抑制比，需要在REF引腳和放大器的OUT引腳之間放置一個(gè)緩沖器。

四、工作原理

SGM621基于經(jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，是一個(gè)整體的儀表放大器。其高精度輸入由兩個(gè)輸入晶體管Q1和Q2提供，這使得輸入引腳的偏置電流降低了10倍。Q1和Q2的恒定集電極電流由兩個(gè)環(huán)路Q1 - A1 - R1和Q2 - A2 - R2維持，輸入電壓被施加在放大器的增益設(shè)置電阻RG上。A1/A2輸出的差分增益可以表示為 (G = 1 + (R1 + R2)/RG) ，而單位增益減法器（A3）可以抑制共模信號(hào)，使SGM621在REF引腳偏置的情況下產(chǎn)生單端輸出。

前置放大器的跨導(dǎo)由RG的電阻值決定。當(dāng)RG的電阻值減小時(shí)，跨導(dǎo)會(huì)逐漸增加到輸入晶體管的跨導(dǎo)，帶來(lái)以下好處：

• 提高開(kāi)環(huán)增益可以增加編程增益，從而減少增益相關(guān)誤差。
• 由兩個(gè)電容C1、C2和前置放大器跨導(dǎo)決定的增益帶寬積會(huì)隨著編程增益的增加而增加，從而增強(qiáng)頻率響應(yīng)。
• 將輸入電壓噪聲降低到6nV/√Hz，這由輸入的基極電阻和集電極電流決定。

SGM621內(nèi)部的集成電阻R1和R2設(shè)置為24.7kΩ，因此可以通過(guò)外部電阻RG來(lái)編程增益，增益方程為 (G=frac{49.4 k Omega}{R{G}}+1) ， (R{G}=frac{49.4 k Omega}{G - 1}) 。

五、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 輸入和輸出失調(diào)電壓

輸入和輸出誤差是導(dǎo)致SGM621低誤差的兩個(gè)主要來(lái)源。當(dāng)參考輸入時(shí)，輸出誤差應(yīng)除以儀表放大器的增益。在大增益時(shí)，輸入誤差占主導(dǎo)地位；在小增益時(shí)，輸出誤差占主導(dǎo)地位?？傒斎?yún)⒖颊`差（RTI） = 輸入誤差 + （輸出誤差/G），總輸出參考誤差（RTO） = （輸入誤差 × G） + 輸出誤差。

2. 參考端子

參考端子的電位定義了零輸出電壓。當(dāng)負(fù)載未連接到系統(tǒng)其余部分的精確地時(shí)，參考端子非常有用。它提供了一種將精確電壓偏置到輸出的方法，參考電壓應(yīng)在電源電壓范圍內(nèi)的2V以內(nèi)。此外，為了保持良好的共模抑制比，該引腳的寄生電阻應(yīng)較低。

3. 增益選擇

儀表放大器的增益由外部電阻RG決定。RG的精度很重要，因?yàn)樗赡軙?huì)影響增益誤差。建議選擇精度為0.1%或1%的電阻。同時(shí)，為了避免SGM621的增益漂移，RG的溫度系數(shù)（TC）應(yīng)低至1ppm/℃。

4. RF干擾

儀表放大器的一個(gè)特點(diǎn)是能夠整流帶外小信號(hào)，這種干擾可以描述為小偏置電壓。可以通過(guò)在儀表放大器的輸入位置放置R - C網(wǎng)絡(luò)來(lái)過(guò)濾所有高頻分量。濾波頻率方程為 (FilterFreq {DIFF }=frac{1}{2 pi R(2 C{D}+C{c})}) 和 (FilterFreq {CM}=frac{1}{2 pi RC{C}}) ，其中 (C{D} ≥10 C_{C}) 。CD影響差分信號(hào)的質(zhì)量，CC影響共模信號(hào)的質(zhì)量。為了減少負(fù)面影響并獲得良好的共模抑制比，建議CD的電容值應(yīng)比CC大10倍。

5. 共模抑制

儀表放大器的共模抑制比很高，能夠測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入之間的差分信號(hào)。為了獲得最佳的共模抑制比，建議將REF引腳連接到低阻抗輸入，并且兩個(gè)輸入之間的阻抗差應(yīng)盡可能小。使用屏蔽電纜可以有效降低電路噪聲，并應(yīng)正確驅(qū)動(dòng)以獲得更好的共模抑制比值。

6. 接地隔離

為了解決接地問(wèn)題，REF引腳應(yīng)連接到“本地地”，因?yàn)閮x表放大器的輸出是由VREF偏置的。由于數(shù)字電路的噪聲環(huán)境，數(shù)據(jù)采集組件（如模數(shù)轉(zhuǎn)換器）有AGND和DGND兩個(gè)引腳?？梢允褂脝胃€或0Ω電阻進(jìn)行隔離，但每個(gè)接地返回應(yīng)分開(kāi)，以最小化敏感點(diǎn)的電流流動(dòng)。模擬和數(shù)字接地返回應(yīng)在一點(diǎn)連接。

7. 偏置電流接地返回

儀表放大器輸入級(jí)的晶體管需要偏置電流（IB）來(lái)工作和偏置，因此需要為偏置電流設(shè)計(jì)一個(gè)接地返回路徑。例如，對(duì)于放大器的浮動(dòng)輸入（如交流耦合變壓器），應(yīng)在輸入和地之間設(shè)置一條電線，以實(shí)現(xiàn)偏置電流的接地返回。

六、封裝信息

SGM621提供SOIC - 8和MSOP - 8封裝，文檔中詳細(xì)給出了這兩種封裝的外形尺寸、推薦焊盤(pán)尺寸、編帶和卷盤(pán)信息以及紙箱尺寸等。這些信息對(duì)于電路板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)非常重要，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的封裝形式。

SGM621以其優(yōu)秀的性能和豐富的特性，在精密測(cè)量、醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇增益、處理輸入輸出誤差、抑制干擾等，以充分發(fā)揮SGM621的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似儀表放大器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。