SGM620 低功耗、低噪聲、軌到軌輸出儀表放大器詳解

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，儀表放大器是一種至關(guān)重要的器件，它能夠?qū)ξ⑷?a target="_blank">信號(hào)進(jìn)行精確放大，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下 SGMICRO 推出的 SGM620 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

SGM620 是一款高精度、高電壓的儀表放大器，其顯著特點(diǎn)是僅需一個(gè)外部電阻，就能將增益設(shè)置在 1 到 10000 的范圍內(nèi)。它的典型靜態(tài)電流僅為 1.3mA，這使得它在電池供電的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，能夠有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。此外，SGM620 采用了 SOIC - 8 封裝，相比傳統(tǒng)的離散三運(yùn)放電路，體積大幅減小，為電路板節(jié)省了寶貴的空間。

二、產(chǎn)品特性

2.1 增益設(shè)置靈活

通過(guò)一個(gè)外部電阻，可輕松將增益設(shè)置在 1 到 10000 之間，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2.2 高精度性能

具有 120ppm（MAX）的非線性和 150μV（MAX）的低輸入失調(diào)電壓，同時(shí)具備低噪聲、低偏置電流和低功耗的特性，為需要出色直流性能的應(yīng)用提供了良好的選擇。

2.3 低噪聲特性

在 1kHz 時(shí)，輸入電壓噪聲低至 6nV/√Hz，輸入電流噪聲為 (300fA/ sqrt{Hz})，在 0.1Hz 到 10Hz 頻段內(nèi)，電壓噪聲為 (0.4 mu V_{P - P})，非常適合前置放大器應(yīng)用。

2.4 快速響應(yīng)

達(dá)到 0.01%的建立時(shí)間僅為 10μs，適用于多路復(fù)用應(yīng)用。

2.5 寬電源范圍

支持單電源或雙電源供電，電源電壓范圍為 4.6V 到 36V 或 ±2.3V 到 ±18V，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.6 工作溫度范圍廣

可在 - 40℃到 + 125℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

2.7 環(huán)保封裝

采用綠色 SOIC - 8 封裝，符合環(huán)保要求。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳配置

3.2 引腳功能說(shuō)明

• 增益設(shè)置引腳（RG）：這是 SGM620 實(shí)現(xiàn)靈活增益設(shè)置的關(guān)鍵引腳。通過(guò)改變外部電阻的阻值，就可以方便地調(diào)整放大器的增益。
• 輸入引腳（IN - 和 IN +）：用于輸入需要放大的信號(hào)。反相輸入引腳和同相輸入引腳共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)差分信號(hào)的放大。
• 電源引腳（+V S 和 -V S）：為放大器提供所需的電源，確保其正常工作。
• 參考引腳（REF）：可以通過(guò)連接低阻抗電壓源，來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的電平，使輸出信號(hào)滿足不同的應(yīng)用需求。
• 輸出引腳（OUT）：輸出經(jīng)過(guò)放大處理后的信號(hào)。

四、電氣特性

4.1 增益特性

增益范圍為 1 到 10000，增益誤差在不同增益和溫度條件下有所不同。例如，在 (G = 10) 且 (T_{A}= + 25℃) 時(shí)，增益誤差為 0.15%到 0.3%。增益溫度系數(shù)也會(huì)隨著增益的變化而有所不同，在 (G = 100) 時(shí)，增益溫度系數(shù)為 0.6ppm/℃。

4.2 失調(diào)特性

輸入失調(diào)電壓在 (V{S}= ±5V) 到 ±15V 且 (T{A}= + 25℃) 時(shí)，最大為 150μV。輸入失調(diào)電壓漂移和輸出失調(diào)電壓漂移也有相應(yīng)的指標(biāo)，這些指標(biāo)對(duì)于高精度測(cè)量應(yīng)用非常重要。

4.3 共模抑制比（CMRR）

在不同增益和輸入條件下，CMRR 表現(xiàn)良好。例如，在 (G = 10) 且 (V_{CM}= - 10V) 到 + 10V 時(shí)，典型值為 105dB。

4.4 輸入輸出特性

輸入阻抗包括差模輸入阻抗和共模輸入阻抗，在 (T{A}= + 25℃) 時(shí)，差模輸入阻抗為 10GΩ，共模輸入阻抗為 10GΩ。輸入電壓范圍在不同電源電壓下有所不同，輸出電壓擺幅在 (R{L}= 2kΩ) 且 (V_{S}= ±18V) 時(shí)，有相應(yīng)的指標(biāo)。

4.5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

小信號(hào) - 3dB 帶寬在不同增益下有所變化，例如在 (G = 10) 時(shí)，帶寬為 1000kHz。壓擺率在 (V{OUT}= 1V{P - P}) 階躍且 (G = 1) 時(shí)，為 1.2V/μs。建立時(shí)間到 0.01%在不同增益下也有不同的值，如 (G = 1) 到 100 時(shí)為 10μs。

4.6 噪聲特性

輸入電壓噪聲密度在 (f = 1kHz) 時(shí)為 6nV/√Hz，輸出電壓噪聲密度在 (f = 1kHz) 時(shí)為 80nV/√Hz。在 0.1Hz 到 10Hz 頻段內(nèi)，不同增益下的電壓噪聲也有相應(yīng)的指標(biāo)。

五、典型性能特性

5.1 PSRR 與頻率關(guān)系

PSRR（電源抑制比）隨頻率的變化曲線顯示，在不同增益下，PSRR 表現(xiàn)不同。一般來(lái)說(shuō)，隨著頻率的增加，PSRR 會(huì)逐漸下降。

5.2 CMRR 與頻率關(guān)系

CMRR（共模抑制比）與頻率的關(guān)系曲線表明，在低頻段，CMRR 較高，隨著頻率的升高，CMRR 會(huì)逐漸降低。

5.3 增益與頻率關(guān)系

增益隨頻率的變化曲線顯示，在不同增益下，放大器的帶寬不同。增益越高，帶寬越窄。

5.4 輸入電壓噪聲密度與頻率關(guān)系

輸入電壓噪聲密度隨頻率的變化曲線顯示，在低頻段，噪聲密度相對(duì)較高，隨著頻率的增加，噪聲密度會(huì)逐漸降低。

5.5 輸入共模電壓與輸出電壓關(guān)系

輸入共模電壓與輸出電壓的關(guān)系曲線展示了放大器在不同共模輸入電壓下的輸出特性。

六、工作原理

SGM620 基于經(jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，是一款整體式儀表放大器。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至原來(lái)的 1/10。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，從而使輸入電壓施加在放大器的增益設(shè)置電阻 (R{G}) 上。A1/A2 輸出的差分增益可以表示為 (G = 1 + (R{1}+R{2}) / R{G})。單位增益減法器（A3）可以抑制共模信號(hào)，使 SGM620 在 REF 引腳偏置的情況下產(chǎn)生單端輸出。

七、應(yīng)用信息

7.1 壓力測(cè)量

SGM620 廣泛應(yīng)用于電橋測(cè)量，如稱重秤中的壓力測(cè)量。由于其高輸入阻抗，它也適用于檢測(cè)高電阻的壓力傳感器。在一個(gè)由 5V 單電源供電的 5kΩ 壓力傳感器電橋電路中，電橋僅消耗 1mA 電流，緩沖分壓器和 SGM620 可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，典型供電電流為 3.3mA。其小尺寸的優(yōu)勢(shì)對(duì)于壓力傳感器非常有吸引力，同時(shí)由于其低噪聲和低漂移特性，還可用于無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量等診斷應(yīng)用。

7.2 醫(yī)療 ECG 放大器

由于 SGM620 具有低電流噪聲的優(yōu)勢(shì)，它可用于心電圖（ECG）監(jiān)測(cè)器中，特別是當(dāng)源電阻達(dá)到 1MΩ 或更高時(shí)。在電池供電的數(shù)據(jù)記錄器中，SGM620 是最佳選擇，因?yàn)樗梢栽诘碗娫措妷?、低功耗和?jié)省空間的封裝條件下工作。此外，結(jié)合其低電壓噪聲、低電流和低偏置電流的優(yōu)勢(shì)，可以提高 SGM620 的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)電容 (C_{1}) 可以維持右腿驅(qū)動(dòng)環(huán)路的穩(wěn)定性，同時(shí)為了保護(hù)患者免受可能的傷害，應(yīng)在患者和電路部分之間添加隔離保護(hù)措施。

7.3 精密 V - I 轉(zhuǎn)換器

利用一個(gè) SGM620、另一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)電阻，可以輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)精密電流源。為了獲得更好的 CMRR，應(yīng)在 REF 引腳和放大器的 OUT 引腳之間放置一個(gè)緩沖器。電路的輸出電流可以通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算得出。

7.4 輸入和輸出失調(diào)電壓

SGM620 的低誤差主要由輸入和輸出誤差兩個(gè)主要來(lái)源導(dǎo)致。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。

7.5 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)。為了保持更好的 CMRR，該引腳的寄生電阻應(yīng)較低。

7.6 增益選擇

儀表放大器的增益由外部電阻 (R{G}) 決定。外部電阻 (R{G}) 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。此外，為了避免 SGM620 的增益漂移，選擇 (R_{G}) 時(shí)需要低溫度系數(shù)（TC），如 1ppm/℃。

7.7 RF 干擾

儀表放大器的一個(gè)特點(diǎn)是能夠整流帶外的小信號(hào)，這種干擾可以描述為小偏置電壓?？梢酝ㄟ^(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。電容 (C{D}) 影響差分信號(hào)的質(zhì)量，而 (C{C}) 影響共模信號(hào)的質(zhì)量。為了減少對(duì) CMRR 的負(fù)面影響，建議 (C{D}) 的電容值是 (C{C}) 的 10 倍。

7.8 共模抑制

儀表放大器的共模抑制比很高，因?yàn)樗梢詼y(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入之間的差分信號(hào)，即使 IN + 和 IN - 同時(shí)增加或減少。為了獲得最佳的 CMRR，建議將 REF 引腳連接到低阻抗輸入，并且兩個(gè)輸入之間的阻抗差異應(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 CMRR 值。

7.9 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表放大器的輸出是通過(guò) (V_{REF}) 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 ADC）有 AGND 和 DGND 兩個(gè)引腳?？梢允褂脝尉€或 0Ω 電阻進(jìn)行隔離，但每個(gè)接地返回應(yīng)分開，以最小化敏感點(diǎn)的電流流動(dòng)。模擬和數(shù)字之間的接地返回應(yīng)在一點(diǎn)連接。

7.10 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（(I_{B})）來(lái)工作和偏置，因此為偏置電流設(shè)計(jì)接地返回路徑是必要的。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)置一條電氣線路，以實(shí)現(xiàn)偏置電流的接地返回。

八、總結(jié)

SGM620 作為一款高性能的儀表放大器，具有增益設(shè)置靈活、高精度、低噪聲、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇增益、處理輸入輸出失調(diào)電壓、抑制 RF 干擾和提高共模抑制比等，以充分發(fā)揮 SGM620 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 SGM620 或其他儀表放大器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。