Chapter-3:MONOLITHICINSTRUMENTATIONAMPLIFIERS
第第第第三三三三章章章章：：：：单片仪表放大器单片仪表放大器单片仪表放大器单片仪表放大器
1.AdvantagesOverOpAmpIn-Amps
相对于运算放大器型仪表放大器的优势相对于运算放大器型仪表放大器的优势相对于运算放大器型仪表放大器的优势相对于运算放大器型仪表放大器的优势
MonolithicICinstrumentationamplifiersweredevelopedtosatisfythedemandforin-ampsthatwouldbe
easiertoapply.Thesecircuitsincorporatevariationsinthe3-opampand2-opampin-ampcircuits
previouslydescribed,whileprovidinglaser-trimmedresistorsandotherbenefitsofmonolithicIC
technology.Sincebothactiveandpassivecomponentsarenowwithinthesamedie,theycanbeclosely
matched—thiswillensurethatthedeviceprovidesahighCMR.Inaddition,thesecomponentswillstay
matchedovertemperature,ensuringexcellentperformanceoverawidetemperaturerange.IC
technologiessuchaslaserwafertrimmingallowmonolithicintegratedcircuitstobetuneduptoveryhigh
accuracyandprovidelowcost,highvolumemanufacturing.Anadditionaladvantageofmonolithic
devicesisthattheyareavailableinverysmall,verylowcostSOIC,MSOP,orLFCSP(chipscale)
packagesdesignedforuseinhighvolumeproduction.Table3-1providesaquickperformancesummary
ofAnalogDevicesin-amps.
单片仪表放大器的开发，是为了满足仪表放大器简便易用的要求。这些单片电路，片内提供经过激
光微调的电阻网络，同时兼具单片集成技术的其它优势，在此基础之上，综合吸纳了前文所述3运
算放大器型、2运算放大器型电路的变型电路。因为有源、无源部件均位于同一晶片内，彼此高度
匹配，可保证非常高的共模抑制比；这些部件在温度变化时仍保持高度匹配，能够在很宽的温度范
围内保证优良的性能。集成电路技术，比如晶圆激光微调技术，可使单片集成电路校准到极高的精
度，并且大幅度降低成本，适合批量生产。单片器件的优势还包括，可以做成低成本、小型化的SOIC、
MSOP、LFCSP封装，应用于大批量生产。表3-1为ADI公司仪表放大器性能简要。
WhichtoUse————anIn-AmporaDiffAmp?
如何选用如何选用如何选用如何选用------仪表放大器仪表放大器仪表放大器仪表放大器，，，，还是差动放大器还是差动放大器还是差动放大器还是差动放大器？？？？
Althoughinstrumentationamplifiersanddifferenceamplifierssharemanyproperties,thefirststepinthe
designprocessshouldbewhichtypeofamplifiertouse.
选用哪种放大器，仪表放大器、还是差动放大器？虽然二者具有许多共同的特性，但仍然是电路设
计流程中第一步需要确定的问题。
Adifferenceamplifierisbasicallyanopampsubtractor,typicallyusinghighvalueinputresistors.The
resistorsprovideprotectionbylimitingtheamplifier’sinputcurrent.Theyalsoreducetheinput
common-modeanddifferentialvoltagetoarangethatcanbehandledbytheinternalsubtractoramplifier.
Ingeneral,differenceamplifiersshouldbeusedinapplicationswherethecommon-modevoltageor
voltagetransientsmayexceedthesupplyvoltage.
差动放大器就是基本的运算放大器减法器，一般情况都应用高阻值的输入电阻，目的是限制放大器
的输入电流，对电路实施保护；同时，降低输入共模电压、输入差模电压，使之位于内部减法器所
能处理的电压范围之内。通常，差动放大器应用于共模电压、瞬态电压高于放大器电源电压的场合。
Incontrast,aninstrumentationamplifierismostcommonlyanopampsubtractorwithtwoinputbuffer
amplifiers(theseincreasetheinputZandthusreduceloadingoftheinputsource).Anin-ampshouldbe
usedwhenthetotalinputcommon-modevoltageplustheinputdifferentialvoltage,includingtransients,
islessthanthesupplyvoltage.In-ampsarealsoneededinapplicationswherethehighestaccuracy,best
signal-to-noiseratio,andlowestinputbiascurrentareessential.
仪表放大器普遍采用带有两个输入缓冲器的运算放大器减法器结构，输入缓冲器可提高输入阻抗，
从而减轻输入信号源的负载。相比之下，仪表放大器的应用于：全部输入共模电压、输入差模电压
之和，包括瞬态电压，低于放大器电源电压的应用中。在要求高精度、高信噪比、低输入偏置电流
的应用中，多选用仪表放大器。
2.MonolithicIn-AmpDesign————TheInsideStory
仪表放大器设计内幕仪表放大器设计内幕仪表放大器设计内幕仪表放大器设计内幕
1））））HighPerformanceIn-Amps
高性能仪表放大器高性能仪表放大器高性能仪表放大器高性能仪表放大器
AnalogDevicesintroducedthefirsthighperformancemonolithicinstrumentationamplifier,theAD520,
in1971.
1971年，AD公司（AnalogDevices）完成第一个高性能的单片仪表放大器AD520。
In2003,theAD8221wasintroduced.Thisin-ampisinatinyMSOPpackageandoffersincreasedCMR
athigherbandwidthsthanothercompetingin-amps.Italsohasimprovedacanddcspecificationsoverthe
industry-standardAD620seriesin-amps.
2003年，AD8221推出。该电路为微型MSOP封装，与其它竞争性的产品相比，在更宽的带宽内提
高了共模抑制比。其改进的直流、交流特性超过了工业标准的AD620系列仪表放大器。
TheAD8221isamonolithicinstrumentationamplifierbasedontheclassic3-opamptopology(Figure
3-1).InputtransistorsQ1andQ2arebiasedataconstantcurrentsothatanydifferentialinputsignalwill
forcetheoutputvoltagesofA1andA2tobeequal.Asignalappliedtotheinputcreatesacurrentthrough
RG,R1,andR2suchthattheoutputsofA1andA2deliverthecorrectvoltage.Topologically,Q1,A1,
R1andQ2,A2,R2canbeviewedasprecisioncurrentfeedbackamplifiers.Theamplifieddifferentialand
common-modesignalsareappliedtoadifferenceamplifier,A3,whichrejectsthecommon-modevoltage,
butprocessesthedifferentialvoltage.Thedifferenceamplifierhasalowoutputoffsetvoltageaswellas
lowoutputoffsetvoltagedrift.Laser-trimmedresistorsallowforahighlyaccuratein-ampwithgainerror
typicallylessthan20ppmandCMRRthatexceeds90dB(G=1).
AD8221是基于经典的3运算放大器拓补结构的单片仪表放大器（图3-1）。输入晶体管Q1、Q2
为恒流偏置，对于任意的差模输入信号，放大器A1、A2的输出电压被强制相等。施加在输入端的
信号，在电阻RG、R1、R2上产生一个电流，使放大器A1、A2输出误差信号。Q1、A1、R1和Q2、
A2、R2可以看作精密电流反馈放大器，放大后的差模、共模信号输入到差动放大器A3，A3处理（放
大）差模信号，而抑制共模模电压。差动放大器A3具有非常低的输出失调电压和输出失调电压漂
移。电阻经过激光微调，使得仪表放大器的高精度成为可能，增益误差典型值小于20ppm，单位增
益下共模抑制比高于90dB。
UsingsuperbetainputtransistorsandanIBcompensationscheme,theAD8221offersextremelyhigh
inputimpedance,lowIB,lowIOS,lowIBdrift,lowinputbiascurrentnoise,andextremelylowvoltage
noiseof8nV/√Hz.
应用超β晶体管和输入偏置电流补偿的输入级，AD8221具有极高的输入阻抗，极低的输入偏置电
流、输入偏置电流漂移、输入偏置电流噪声，和极低的电压噪声（8nV/√Hz）。
ThetransferfunctionoftheAD8221is
AD8221的传输函数为
14.49+?=
GR
KG
1
4.49
?
?=
G
KR
G
Carewastakentoensurethatausercouldeasilyandaccuratelysetthegainusingasingleexternal
standardvalueresistor.
经过精心设计，确保用户使用一个标准阻值的外部电阻就可以准确设置仪表放大器的增益。
Sincetheinputamplifiersemployacurrentfeedbackarchitecture,theAD8221’sgainbandwidthproduct
increaseswithgain,resultinginasystemthatdoesnotsufferfromtheexpectedbandwidthlossofvoltage
feedbackarchitecturesathighergains.
由于输入放大器为一电流反馈结构，AD8221的增益带宽积随增益增大而增大，不再电压反馈结构
中在高增益工作必然损失带宽的困扰。
Inordertomaintainprecisionevenatlowinputlevels,specialcarewastakenwiththeAD8221’sdesign
andlayout,resultinginanin-ampwhoseperformancesatisfieseventhemostdemandingapplications(see
Figures3-3and3-4).
为保持低电平输入条件下的精度，AD8221的设计、布局都予以特别考虑，其性能可以满足绝大多数
应用（请参阅图3-3、3-4）。
AuniquepinoutenablestheAD8221tomeetanunparalleledCMRRspecificationof80dBat10kHz(G
=1)and110dBat1kHz(G=1000).Thebalancedpinout,showninFigure3-2,reducestheparasites
thathad,inthepast,adverselyaffectedCMRperformance.Inaddition,thenewpinoutsimplifiesboard
layoutbecauseassociatedtracesaregrouped.Forexample,thegainsettingresistorpinsareadjacentto
theinputs,andthereferencepinisnexttotheoutput.
独特的引出线方式，使AD8221达到无与伦比的共模抑制比指标：单位增益时80dB@10KHz，1000
倍增益时，110dB@1KHz。如图3-2所示的平衡引出线方式，降低了以前方案所具有的寄生杂散，
这些杂散信号对共模抑制性能具有负面影响。此外，新的引出线方式，依据功能相关性分类布局，
简化了电路板布局，例如，增益设置电阻引脚紧邻输入端，参考引脚靠近输出端。
TheAD8222(Figure3-5)isadualversionoftheAD8221in-amp,withsimilarperformanceand
specifications.ItssmallsizeallowsmoreamplifiersperPCboard.Inaddition,theAD8222isthefirst
in-amptobespecifiedfordifferentialoutputperformance.Itisavailableina4mm×4mm,16-lead
LFCSPpackage.
AD8222（图3-5）为双单元版本，与AD8221具有相同的性能指标，仅提高了每块电路板所容纳
的放大器数目。AD8222是第一个具有差动输出特性的仪表放大器，可做到在4mm×4mm的16引
脚LFCSP封装内。
Formanyyears,theAD620hasbeentheindustrystandard,highperformance,lowcostin-amp.The
AD620isacompletemonolithicinstrumentationamplifierofferedinboth8-leadDIPandSOICpackages.
Theusercanprogramanydesiredgainfrom1to1000usingasingleexternalresistor.Bydesign,the
requiredresistorvaluesforgainsof10and100arestandard1%metalfilmresistorvalues.
多年来，AD620一直是高性能、低成本的工业标准。AD620是一个完整的单片仪表放大器，有8
引脚的DIP、SOIC两种封装形式。用户可通过外部电阻在1~1000的范围内随意设定增益值。
设计上经过周密考虑，增益为10、100所要求的电阻值为1%金属膜电阻系列的标准（标称）值。
TheAD620(seeFigure3-7)isasecond-generationversionoftheclassicAD524in-ampandembodiesa
modificationofits3-opampcircuit.Lasertrimmingofon-chipthinfilmresistors,R1andR2,allowsthe
usertoaccuratelysetthegainto100within0.3%maxerror,usingonlyoneexternalresistor.
Monolithicconstructionandlaserwafertrimmingallowthetightmatchingandtrackingofcircuit
components.
AD620（图3-7）为经典版本AD524的第二代版本，包含一个经过改进的3运算放大器电路。
R1、R2为激光微调的片内薄膜电阻，用户设定增益为100时，最大误差在0.3%以内，增益设定
仅需一个外部电阻。单片结构、激光晶圆微调，保证电路部件之间精密匹配、精密跟踪。
ApreampsectioncomprisedofQ1andQ2providesadditionalgainupfront.Feedbackthroughthe
Q1-A1-R1loopandtheQ2-A2-R2loopmaintainsaconstantcollectorcurrentthroughtheinputdevices
Q1andQ2,therebyimpressingtheinputvoltageacrosstheexternalgainsettingresistor,RG.Thiscreates
adifferentialgainfromtheinputstotheA1/A2outputsgivenbyG=(R1+R2)/RG+1.Theunity-gain
subtractor,A3,removesanycommon-modesignal,yieldingasingleendedoutputreferredtotheREFpin
potential.
晶体管Q1、Q2构成前置放大单元，可提供额外的前级增益。Q1---A1---R1和Q2---A2---R2两
个环路反馈，使输入器件Q1、Q2的集电极电流维持恒定，输入电压反映在外部增益设置电阻RG
两端，从输入端到放大器A1、A2输出端的差摸增益为G=（R1+R2）/RG+1。单位增益减法器
A3用于消除共模信号，产生一个以REF引脚电位为参考的单端输出信号。
ThevalueofRGalsodeterminesthetransconductanceofthepreampstage.AsRGisreducedforlarger
gains,thetransconductanceincreasesasymptoticallytothatoftheinputtransistors.Thishasimportant
advantages:First,theopen-loopgainisboostedforincreasingprogrammedgain,thusreducinggain
relatederrors.Second,thegainbandwidthproduct(determinedbyC1,C2,andthepreamp
transconductance)increaseswithprogrammedgain,thusoptimizingtheamplifier’sfrequencyresponse.
Figure3-8showstheAD620’sclosed-loopgainvs.frequency.
电阻RG的值也决定了前置放大级的跨导。增益变大，RG就要减小，跨导增大，趋近于输入电阻。
这样的好处是：第一，开环增益随设定增益增加而增加，以减小与增益相关的误差；第二，增益带
宽积（由电容C1、C2及与放大器跨导确定）随设定增益增大而增大，以优化放大器的频率响应。
图3-8为AD620开环增益与频率的关系。
TheAD620alsohassuperiorCMRoverawidefrequencyrange,asshowninFigure3-9.
AD620在宽带频率范围内具有超常的共模抑制比，如图3-9所示。
Figures3-10and3-11showtheAD620’sgainnonlinearityandsmallsignalpulseresponse.
图3-10、3-11分别为AD620的增益非线性和小信号脉冲响应。
Finally,theinputvoltagenoiseisreducedtoavalueof9nV/√Hz,determinedmainlybythecollector
currentandbaseresistanceoftheinputdevices.
最后，输入噪声电压低至9nV/√Hz，主要是由输入器件的集电极电流、基极电阻决定的。
Theinternalgainresistors,R1andR2,aretrimmedtoanabsolutevalueof24.7kΩ,allowingthegainto
beprogrammedaccuratelywithasingleexternalresistor.Thegainequationisthen
内部增益电阻R1、R2校准为24.7KΩ,电路增益可通过单一的外部电阻设定，增益方程为
14.49+?=
GR
KG
Sothat
因此
14.49??=GKRG
WhereresistorRGisinkΩ
电阻RG单位KΩ。
Thevalueof24.7kΩwaschosensothatstandard1%resistorvaluescouldbeusedtosetthemost
populargains.
之所以选取24.7KΩ，是为了可以用1%精度电阻的标准（标称阻值）设置为多数常用增益值。
2））））LowCostIn-Amps
低成本仪表放大器低成本仪表放大器低成本仪表放大器低成本仪表放大器
TheAD622isalowcostversionoftheAD620(seeFigure3-6).TheAD622usesstreamlinedproduction
methodstoprovidemostoftheperformanceoftheAD620atlowercost.
AD622是AD620的低成本版本（图3-6）。AD622采用精简工艺，在较低成本条件下保留了AD620
的多数性能指标。
Figures3-12,3-13,and3-14showtheAD622’sCMRvs.frequency,gainnonlinearity,andclosed-loop
gainvs.frequency.
图3-12、3-13、3-14分别为AD622的共模抑制比---频率关系、非线性特性、闭环增益---频率
关系。
3））））Pin-Programmable,PreciseGainIn-Amps
引脚可编程精准增益仪表放大器引脚可编程精准增益仪表放大器引脚可编程精准增益仪表放大器引脚可编程精准增益仪表放大器
TheAD621issimilartotheAD620,exceptthatforgainsof10and100thegainsettingresistorsareon
thedie—noexternalresistorsareused.Asingleexternaljumper(betweenPins1and8)isallthatis
neededtoselectagainof100.Foragainof10,leavePin1andPin8open.Thisprovidesexcellentgain
stabilityovertemperature,astheon-chipgainresistortrackstheTCofthefeedbackresistor.Figure3-15
isasimplifiedschematicoftheAD621.Withamaxtotalgainerrorof0.15%and5ppm/℃gaindrift,
theAD621hasmuchgreaterbuilt-inaccuracythantheAD620.
AD621与AD620类似，不同仅是对应增益10、100的设定电阻位于芯片内部，而不是外部电阻。
设定增益为100，仅需在第1、8引脚之间连接一个外部跳线端子；引1、8之间开路，即设定增益为
10。由于片内增益电阻与反馈电阻的温度系数能够相互跟踪，增益具有极其稳定的温度特性。图
3-15为AD621简化电路图。AD621的内置精度比AD620精度高，最大总增益误差0.15%，增
益温漂5ppm/℃。
TheAD621mayalsobeoperatedatgainsbetween10and100byusinganexternalgainresistor,
althoughgainerrorandgaindriftovertemperaturewillbedegraded.Usingexternalresistors,devicegain
isequalto
AD621也可以应用外部增益电阻。增益设定范围10~100，但增益误差、增益漂移的温度特性会
变差。应用外部增益电阻时，器件增益为
G=（R1+R2）/RG+1
Figures3-16and3-17showtheAD621’sCMRvs.frequencyandclosed-loopgainvs.frequency.
图3-16、3-17为AD621的共模抑制比、闭环增益与频率的关系。
Figures3-18and3-19showtheAD621’sgainnonlinearityandsmallsignalpulseresponse.
图3-18、3-19分别为AD621的增益非线性、小信号脉冲响应。
TheAD8220isaFETinput,gain-programmable,highperformanceinstrumentationamplifierwithamax
inputbiascurrentof10pA.Italsofeaturesexcellenthighfrequencycommon-moderejection(seeFigure
3-20).TheAD8220maintainsaminimumCMRRof70dBupto20kHz,atG=1.Thecombinationof
extremelyhighinputimpedanceandhighCMRRoverfrequencymakestheAD8220usefulin
applicationssuchaspatientmonitoring.Intheseapplications,inputimpedanceishighandhighfrequency
interferencemustberejected.
AD8220为场效应管输入、增益可编程、高性能仪表放大器。最大输入偏置电流10pA。还具有出
色的高频共模抑制性能（请阅读图3-20）。单位增益时，在高达20kHz频率范围内仍保持最小70dB
的共模抑制比。高输入阻抗、高频共模抑制能力的结合，使得AD8220广泛应用在在病人监护。
在这类应用中，要求输入阻抗高，而且对高频干扰必须具有非常好的抑制能力。
Therail-to-railoutput,lowpowerconsumptionandsmallMSOP/CSPpackagemakethisprecision
instrumentationamplifierattractiveforuseinmultichannelapplications.
轨至轨输出、低功耗、小型化MSOP/CSP封装，使得这款精密仪表放大器在多通道应用中极具
诱惑力。
Asingleresistorsetsthegainfrom1to1000.TheAD8220operatesonbothsingleanddualsuppliesand
iswellsuitedforapplicationswhereinputvoltagesclosetothoseofthesupplyareencountered.In
addition,itsrail-to-railoutputstageallowsformaximumdynamicrange,whenconstrainedbylow
single-supplyvoltages.
AD8220用单个电阻在1~1000范围内设定增益，可单电源、双电源工作，非常适合输入电压接
近电源电压的应用中。轨至轨输出，可以在单电源低电压工作条件下具有最大的动态范围。
4））））Auto-ZeroingInstrumentationAmplifiers
自自自自稳稳稳稳零仪表放大器零仪表放大器零仪表放大器零仪表放大器
Auto-zeroingisadynamicoffsetanddriftcancellationtechniquethatreducesinputreferredvoltage
offsettotheuVlevel,andvoltageoffsetdrifttothenV/℃level.TheAD8230(Figure3-22)isan
instrumentationamplifierthatutilizesanauto-zeroingtopologyandcombinesitwithhighcommon-mode
signalrejection.
自稳零是一种动态抵消失调和漂移的技术，输入失调电压可降低至uV级，失调电压漂移可降至
nV/℃级。AD8220（如图3-22）仪表放大器集自稳零拓补电路、高共模抑制功能于一体。
Theinternalsignalpathconsistsofanactivedifferentialsample-and-holdstage(preamp),followedbya
differentialamplifier(gainamp).Bothamplifiersimplementauto-zeroingtominimizeoffsetanddrift.A
fullydifferentialtopologyincreasestheimmunityofthesignalstoparasiticnoiseandtemperatureeffects.
AmplifiergainissetbytwoexternalresistorsforconvenientTCmatching.TheAD8230canacceptinput
common-modevoltageswithinandincludingthesupplyvoltages(±5V).
内部信号通路由有源差分采样保持器（预放大级）及其后级差动放大器（增益放大级）构成。两部
分均采用自稳零技术，失调、失调漂移降至最低。全差分拓补结构增强了信号对杂散噪声、温度效
应的免疫力。放大器增益由两个外部电阻设定，便于温度系数匹配。AD8230可以接收小于、等于
电源电压的共模输入电压（±5V)。
Thesignalsamplingrateiscontrolledbyanon-chip,10kHzoscillatorandlogictoderivetherequired
non-overlappingclockphases.Forsimplificationofthefunctionaldescription,twosequentialclock
phases,AandB,willbeusedtodistinguishtheorderofinternaloperationasdepictedinFigures3-23and
3-24,respectively.
信号采样率由片内10KHz振荡器及逻辑电路控制，产生所需要的不交叠时钟相位。其功能可简述
为，用两个时序时钟的相位A、B，分辨图3-23、3-24所示内部工作顺序。
DuringPhaseA,thesamplingcapacitorsareconnectedtotheinputsignalsatthecommon-modepotential.
Theinputsignal’sdifferencevoltage,VDIFF,isstoredacrossthesamplingcapacitors,CSAMPLE.The
common-modepotentialoftheinputaffectsCSAMPLEinsofarasthesamplingcapacitorsareata
differentcommon-modepotentialthanthepreamp.Duringthisperiod,thegainampisdisconnectedfrom
thepreampsothatitsoutputremainsatthelevelsetbythepreviouslysampledinputsignal,heldon
CHOLDinFigure3-23.
在相位A期间，取样电容连接到处于共模电势之上的输入信号，输入信号的差模电压VDIFF存储
到取样电容CSAMPLE两端。取样电容与前置放大器处于不同的共模电势时，输入信号的共模电势才
会影响取样电容。在此期间，增益放大器与前置放大器断开，增益放大器输出以前保持的电平，即
前期输入信号在保持电容CHOLD上的采样值（图3-23）。
InPhaseB,uponsamplingtheanaloginputsignals,theinputcommon-modecomponentisremoved.The
common-modeoutputofthepreampisheldatthereferencepotential,VREF.Whenthebottomplatesof
thesamplingcapacitorsconnecttotheoutputofthepreamp,theinputsignalcommon-modevoltageis
pulledtotheamplifier’scommon-modevoltage,VREF.Inthismanner,thesamplingcapacitorsare
broughttothesamecommonmodevoltageasthepreamp.Theremainingdifferentialsignalispresented
tothegainamp,refreshingtheholdcapacitors’signalpotentials,asshowninFigure3-24.
相位B期间，采集模拟输入信号，消除共模输入电势。前置放大器输出的共模信号被保持在参考
电位VREF。取样电容的下极板连接到前置放大器的输入级时，输入共模电压被拉到放大器的共模电
压VREF，以这种方式，取样电容得到与前置放大器相同的共模电压，其余的差模电压出现在增益
放大器输入端，刷新保持电容上的信号电压。如图3-24所示。
Figures3-25through3-28showtheinternalworkingsoftheAD8230indepth.Asnoted,boththepreamp
andgainampauto-zero.Thepreampauto-zeroesduringphaseA,showninFigure3-25,whilethe
samplingcapsareconnectedtothesignalsource.Byconnectingthepreampdifferentialinputstogether,
theresultingoutputreferredoffsetisconnectedtoanauxiliaryinputporttothepreamp.Negative
feedbackoperationforcesacancelingpotentialattheauxiliaryport,whichissubsequentlyheldona
storagecapacitor,CP_HOLD.
图3-25~3-28为AD8230更深入的内部工作情况。如前所述，前置放大器、增益放大器都具备自
动稳零。在相位A期间，前置放大器自动稳零，如图3-25，此时取样电容与信号源相连接。前置
放大器差动输入端连接在一起，产生的参考失调为电压连接到前置放大器的一个辅助输入端，由于
负反馈功能，在这个辅助输入端强制产生一个抵消电势，该电势随后保持在存储电容CP_HOLD上。
WhileinPhaseA,thegainampshowninFigure3-26readsthepreviouslysampledsignalheldonthe
holdingcapacitors,CHOLD.Thegainampimplementsfeedforwardoffsetcompensationtoallowfor
transparentnullingofthemainampandacontinuousoutputsignal.Adifferentialsignalregimenis
maintainedthroughoutthemainampandfeedforwardnullingampbyutilizingadoubledifferentialinput
topology.Thenullingampcomparestheinputofthetwodifferentialsignals.Asaresult,theoffseterror
isfedintothenullportofthemainamp,VNULL,andstoredonCM_HOLD.Thisoperationeffectively
forcesthedifferentialinputpotentialsatboththesignalandfeedbackportsofthemainamptobeequal.
Thisistherequirementforzerooffset.
在相位A期间，图3-26中的增益放大器读取保持电容CHOLD存储的、之前采样的信号，增益
放大器执行前馈失调补偿，使主放大器调零，输出连续信号。主放大器和调零放大器为双差分输入
拓补电路，自始至终保持差分信号机制。调零放大器对两个差分输入信号进行比较，结果，将失调
误差送到主放大器的调零端口（VNULL），并且保存在CM_HOLD上。这样，强制主放大器的信
号端口、反馈端口的差分电位相等。这是零漂移所要求的。
DuringPhaseB,theinputsofthepreamparenolongershorted,andthesamplingcapacitorsare
connectedtotheinputandoutputofthepreampasshowninFigure3-27.Thepreamp,havingbeen
auto-zeroedinPhaseA,hasminimaloffset.Whenthesamplingcapacitorsareconnectedtothepreamp,
thecommonmodeofthesamplingcapacitorsisbroughttoVREF.Thepreampoutputsthedifference
signalontotheholdcapacitors,CHOLD.
在时钟相位B期间，前置放大器两个输入端不再被短接，并且采样电容器连接在前置放大器的输
入和输出端之间，如图3-27所示。前置放大器在时钟相位A期间已经过自动调零，失调电压最
低。当采样电容与前置放大器相连接时，使采样电容的共模电压被拉到VREF电位。前置放大器
向保持电容CHOLD输出的差分信号。
Themainampcontinuestooutputthegaineddifferencesignal,showninFigure3-28.Itsoffsetiskeptto
aminimumbyusingthenullingamp’scorrectionpotentialstoredonCM_HOLDfromthepreviousphase.
Duringthisphase,thenullingampcomparesitstwodifferentialinputsandcorrectsitsownoffsetby
drivingacorrectionvoltageintoitsnullingportand,ultimately,ontoCN_HOLD.Inthisfashion,the
nullingampreducesitsownoffsetinPhaseBbeforeitcorrectsforthemainamp’soffsetinthenext
phase,PhaseA.
主放大器继续输出经过放大的差分信号，如图3-28所示。利用在时钟相位A期间储存在
CM_HOLD上、调零放大器的校正电位，使主放大器的失调误差保持最低。在此期间，调零放大
器对其两个差分输入端进行比较，用校正电压驱动其调零端口，完成自身失调校正，最终保存在电
容CN_HOLD上。以此，在本时钟相位B期间，也就是下一个时钟相位A之前，调零放大器
完成自身失调调零；在下一个时钟相位A期间，对主放大器进行失调校正。
TwoexternalresistorssetthegainoftheAD8230.Thegainisexpressedinthefollowingfunction:
AD8230增益由两个外部电阻设定，增益由下列函数表达：
)/1(2GFRRGain+×=
Figure3-29andTable3-2provideanexampleofsomegainsettings.AsTable3-2shows,theAD8230
acceptsawiderangeofresistorvalues.Sincetheinstrumentationamplifierhasfinitedrivingcapability,
ensurethattheoutputloadinparallelwiththesumofthegainsettingresistorsisgreaterthan2kVΩ.
图2-29、表3-2所述为增益设定实例。如表3-2所示，AD8230可以适应很宽范围的电阻值。因
为仪表放大器具有有限的驱动能力，应保证输出负载电阻、所有增益设定电阻之和，二者并联值大
于2KΩ：
?>+KRRRGFL2)（∥
Offsetvoltagedriftathightemperaturecanbeminimizedbykeepingthevalueofthefeedbackresistor,
RF,small.ThisisduetothejunctionleakagecurrentontheRGpin,Pin7.
可通过应用尽可能小阻值的反馈电阻RF，使失调电压漂移降到最低。这与RG引脚，即第7引
脚的节点漏电流有关。
Figure3-30showstheAD8230’scommon-moderejectionvs.frequency.Figure3-31isaplotof
AD8230’sgainflatnessvs.frequencyatagainof10.
图3-30所示为AD8230共模抑制比与频率的关系。图3-31为AD8230工作增益为10时，增益
平坦度与频率的关系。
TheAD8553isaprecisioncurrent-modeauto-zeroinstrumentationamplifiercapableofsingle-supply
operation.Thecurrent-modecorrectiontopologyresultsinexcellentaccuracy,withouttheneedfor
trimmedresistorsonthedie.
AD8553是可单电源工作的精密电流模式自稳零仪表放大器。电流模式校正拓补电路，无需在晶片
上的电阻微调工艺就可以提供杰出的准确度指标。
Figure3-32istheAD8553connectiondiagramwhileFigure3-33showsasimplifiedschematic
illustratingthebasicoperationoftheAD8553(withoutcorrection).Thecircuitconsistsofa
voltage-to-currentamplifier(M1toM6),followedbyacurrent-to-voltageamplifier(R2andA1).
ApplicationofadifferentialinputvoltageforcesacurrentthroughexternalresistorR1,resultingin
conversionoftheinputvoltagetoasignalcurrent.TransistorsM3toM6transfertwicethissignalcurrent
totheinvertinginputoftheopampA1.AmplifierA1andexternalresistorR2formacurrent-to-voltage
convertertoproducearail-to-railoutputvoltageatVOUT.
图3-32为AD8553的接线图；图3-33为简化的电路图，说明AD8553无校正时的基本工作原理。
电路包含电压---电流放大器（M1~M6），后级电流---电压放大器（A1及R2）。以差模输入电
压迫使电流流过电阻R1，发生从输入电压到信号电流的变换。晶体管M3~M6使该电流信号翻
倍并馈送到运算放大器A1的输入端。放大器A1及外部电阻R2构成一个电流---电压变换器，
在Vout产生轨至轨输出电压。
OpampA1isahighprecisionauto-zeroamplifier.Thisamplifierpreservestheperformanceofthe
autocorrectioncurrent-modeamplifiertopologywhileofferingtheuseratruevoltage-in,voltage-out
instrumentationamplifier.Offseterrorsarecorrectedinternally.
运算放大器A1为高精度自稳零放大器。该放大器为用户提供真正的“电压入、电压出”仪表放大
器，同时保留了电流模式的自动校正拓补结构，失调误差的片内校正。
AnexternalreferencevoltageisappliedtothenoninvertinginputofA1foroutput-offsetadjustment.
BecausetheAD8553isessentiallyachopperin-amp,sometypeoflow-passfilteringoftheouputis
usuallyrequired.ExternalcapacitorC2isusedtofilterouthighfrequencynoise.
放大器A1的同相输入端施加一个外部参考电压，用作输出直流偏置调节。AD8553实质是一个斩
波型仪表放大器，输出端通常需要低通滤波器。外部电容C2用于滤除高频噪声。
ThepinoutoftheAD8553allowstheusertoaccessthesignalcurrentfromtheoutputofthe
voltage-to-currentconverter(Pin5).TheusercanchoosetousetheAD8553asacurrent-outputdevice
insteadofavoltage-outputdevice.
AD8553的引出线方式，允许用户在电压---电流变换器的输出（第5引脚）引出电流信号。因此，
可选用AD8553作为一个电流---电压变换器件，代替电压输出器件。
TheAD8555isazero-drift,sensorsignalamplifierwithdigitallyprogrammablegainandoutputoffset.
Designedtoeasilyandaccuratelyconvertvariablepressuresensorandstrainbridgeoutputstoa
well-definedoutputvoltagerange,theAD8555alsoaccuratelyamplifiesmanyotherdifferentialor
single-endedsensoroutputs.
AD8555为零漂移传感信号放大器，增益、输出直流偏置可数字编程。设计目的是把各种压力传感
器、应力电桥的输出信号非常方便、非常精确地变换为一个特别规定的电压范围的电压信号。也可
应用于其它差分、单端传感器输出信号的高精度放大。
Figure3-34showsthepinoutandFigure3-35thesimplifiedschematic.
图3-34为AD8555的引出线方式，图3-35为其简化电路。
TheAD8555(andAD8556)usebothauto-zeroingand“chopping”techniquestomaintainzerodrift.A1,
A2,R1,R2,R3,P1,andP2formthefirstgainstageofthedifferentialamplifier.A1andA2are
auto-zeroedopampsthatminimizeinputoffseterrors.P1andP2aredigitalpotentiometers,guaranteedto
bemonotonic.ProgrammingP1andP2allowsthefirststagegaintobevariedfrom4.0to6.4with7-bit
resolution,givingafinegainadjustmentresolutionof0.37%.R1,R2,R3,P1,andP2eachhaveasimilar
temperaturecoefficient,sothefirststagegaintemperaturecoefficientislowerthan100ppm/℃.
AD8555、AD8556均采用自稳零和斩波技术实现零漂移。A1、A2、R1、R2、R3、P1、P2构成差动
放大器的第一增益级。A1、A2均为自动稳零运算放大器，使输入失调误差最低。P1、P2为数字电
位器，保证单调变化。P1、P2允许第一级增益在4.0~6.4之间变化，分辨率7bit，给出0.37%
的细调分辨率。R1、R2、R3、P1、P2具有相同的温度系数，因而第一级增益的温度系数可低于
100ppm/℃。
A3,R4,R5,R6,R7,P3,andP4formthesecondgainstageofthedifferentialamplifier.A3isalsoan
auto-zeroedopampthatminimizesinputoffseterrors.P3andP4aredigitalpotentiometers,allowingthe
secondstagegaintobevariedfrom17.5to200ineightsteps;theyallowthegaintobevariedovera
widerange.R4,R5,R6,R7,P3,andP4eachhaveasimilartemperaturecoefficient,sothesecondstage
gaintemperaturecoefficientislowerthan100ppm/8C.
A3、R4、R5、R6、R7、P3、P4构成差动放大器的第二增益级。A3也是自稳零运算放大器，使输入
失调误差最低。P3、P4为数字电位器，允许第二级增益在17.5~200之间变化，分辨率8步，
使增益的大范围变化（粗调）。R4、R5、R6、R7、P3、P4具有相同的温度系数，因此第二级增益
的温度系数可低于100ppm/℃。
A5implementsavoltagebuffer,whichprovidesthepositivesupplytotheamplifieroutputbufferA4.Its
functionistolimitVOUTtoamaximumvalue,usefulfordrivinganalog-to-digitalconverters(ADC)
operatingonsupplyvoltageslowerthanVDD.TheinputtoA5,VCLAMP,hasaveryhighinput
resistance.Itshouldbeconnectedtoaknownvoltageandnotleftfloating.However,thehighinput
impedanceallowstheclampvoltagetobesetusingahighimpedancesource(e.g.,apotentialdivider).If
themaximumvalueofVOUTdoesnotneedtobelimited,VCLAMPshouldbeconnectedtoVDD.
A5为电压缓冲放大器，为放大器输出缓冲级A4提供正电源，其功能是限制Vout的最大值，在
工作电压低于放大器电源电压的模数转换器的驱动应用中非常有用。A5的输入端VCLAMP，输入阻
抗非常高，该引脚应接已知电压不可悬空。高输入阻抗允许钳位电压用一个高阻抗源（比如电位器
分压器）设定。如果VOUT的最大值无需限幅，VCLAMP引脚应接到正电源VDD。
A4implementsarail-to-railinputandoutputunity-gainvoltagebuffer.TheoutputstageofA4issupplied
fromabufferedversionofVCLAMPinsteadofVDD,allowingthepositiveswingtobelimited.The
maximumoutputcurrentislimitedbetween5to10mA.
A4为轨至轨输入、输出的单位增益电压缓冲器。A4的输出级电源不直接用VDD,而是应用经过
VCLAMP缓冲后的电压。最大电流限制5~10mA范围内。
An8-bitdigital-to-analogconverter(DAC)isusedtogenerateavariableoffsetfortheamplifieroutput.
ThisDACisguaranteedtobemonotonic.Topreservetheratiometricnatureoftheinputsignal,theDAC
referencesaredrivenfromVSSandVDD,andtheDACoutputcanswingfromVSS(Code0)toVDD
(Code255).The8-bitresolutionisequivalentto0.39%ofthedifferencebetweenVDDandVSS(e.g.,
19.5mVwitha5Vsupply).TheDACoutputvoltage(VDAC)isgivenapproximatelyby
8bit数模转换器为放大器输出产生可变的偏移电压，该数模转换器可保证单调性。为保留输入信
号的比例属性，数模变换器的参考电压由VSS、VDD驱动，数模转换器摆动范围为VSS~VDD，对
应编码0~255。8bit分辨率等效VSS、VDD差值的0.39%（5V供电时为19.5mV——数模变
换器输出电压由下式近似给出：
SSSSDDDACVVVCodeV+?+≈)(2565.0
ThetemperaturecoefficientofVDACislowerthan200ppm/℃.
数模转换器的温度系数低于200ppm/℃
Theamplifieroutputvoltage(VOUT)isgivenby
放大器电压VOUT由下式给出：
ADCNEGPOSOUTVVVGainV+?×=)(
whereGAINistheproductofthefirstandsecondstagegains.
式中GAIN为第一级、第二级增益之乘积。
Figures3-36and3-37showtheAD8555’sCMRRvs.frequencyanditsclosed-loopgainvs.frequency.
图3-36、3-37所示分别为AD8555共模抑制比与频率的关系、闭环增益与频率的关系。
SeetheAD8555productdatasheetformoredetails.
详细情况，请参与AD8555产品数据表单。
TheAD8556isessentiallythesameproductastheAD8555,exceptthattheformerincludesinternalRFI
filtering.TheblockdiagramfortheAD8556isshowninFigure3-38.Fortheoryofoperation,refertothe
previoussectionthatcoverstheAD8555.
AD8556与AD8555基本相同，只是前者包含内置射频干扰滤波电路。AD8556的方块图如图3-38
所示。其工作原理，请参阅前文涉及AD8555的章节。
5））））FixedGain(LowDrift)In-Amps
固定增益固定增益固定增益固定增益（（（（低漂移低漂移低漂移低漂移））））仪表放大器仪表放大器仪表放大器仪表放大器
TheAD8225isaprecision,gain-of-5,monolithicin-amp.Figure3-39showsthatitisa3-opamp
instrumentationamplifier.Theunity-gaininputbuffersconsistofsuper-betaNPNtransistorsQ1andQ2
andopampsA1andA2.Thesetransistorsarecompensatedsothattheirinputbiascurrentsareextremely
low,typically100pAorless.Asaresult,currentnoiseisalsolow,only50fA/√Hz.Theinputbuffers
driveagain-of-5differenceamplifier.Becausethe3kΩand15kΩresistorsareratiomatched,gain
stabilityisbetterthan5ppm/℃overtheratedtemperaturerange.
AD8225为高精度固定增益（5倍）的3运算放大器型单片仪表放大器，如图3-39所示。单位增
益输入缓冲级由超βNPN晶体管Q1、Q2和运算放大器A1、A2构成。晶体管是经过补偿的，输入
偏置电流极低，典型值100pA或更低，因而电流噪声也非常低，只有50fA/√Hz。输如缓冲级
驱动后级差动放大器，差动放大器增益5倍，因为3kΩ、15kΩ电阻是经过比值匹配的，在额
定温度范围内，增益稳定性优于5ppm/℃。
TheAD8225hasawidegainbandwidthproduct,resultingfromitsbeingcompensatedforafixedgainof
5,asopposedtotheusualunity-gaincompensationofvariablegainin-amps.Highfrequencyperformance
isalsoenhancedbytheinnovativepinoutoftheAD8225.SincePin1andPin8areuncommitted,Pin1
maybeconnectedtoPin4.SincePin4isalsoaccommon,thestraycapacitanceatPins2and3is
balanced.
AD8225为固定增益补偿，不同于通常的可变增益仪表放大器的单位增益补偿，因而增益带宽积较
高。高频性能，也因其改进的引出线方式而提高，因为引脚1、8未用，引脚1可以与引脚4连
接，而引脚4也是交流公共端，因而，引脚2、3之间杂散电容平衡。
Figure3-40showstheAD8225’sCMRvs.frequencywhileFigure3-41showsitsgainnonlinearity.
图3-40为AD8225的共模抑制比与频率的关系；图3-41为增益非线性特性。
6））））MonolithicIn-AmpsOptimizedforSingle-SupplyOperation
单片仪表放大器单片仪表放大器单片仪表放大器单片仪表放大器的单电源优化的单电源优化的单电源优化的单电源优化
Single-supplyin-ampshavespecialdesignproblemsthatneedtobeaddressed.Theinputstagemustbe
abletoamplifysignalsthatareatgroundpotential(orveryclosetoground),andtheoutputstageneedsto
beabletoswingtowithinafewmillivoltsofgroundorthesupplyrail.Lowpowersupplycurrentisalso
important.And,whenoperatingfromlowpowersupplyvoltages,thein-ampneedstohaveanadequate
gainbandwidthproduct,lowoffsetvoltagedrift,andgoodCMRvs.gainandfrequency.
单电源仪表放大器设计需要解决一个特殊的难点。输入级必须能够放大地电位（或非常接近地电位）
的信号，并且输出级摆幅能够以毫伏电压的差距接近电源轨。同时降低电源电流也是非常重要的，
因为，工作在较低电源电压的仪表放大器，需要具有足够的增益带宽积、低失调电压漂移、好的高
频共模抑制及能力。
TheAD623isaninstrumentationamplifierbasedonthe3-opampin-ampcircuit,modifiedtoensure
operationoneithersingle-ordual-powersupplies,evenatcommon-modevoltagesat,orevenbelow,the
negativesupplyrail(orbelowgroundinsingle-supplyoperation).Otherfeaturesincluderail-to-rail
outputvoltageswing,lowsupplycurrent,MSOPpackaging,lowinputandoutputvoltageoffset,
microvolt/dcoffsetleveldrift,highcommon-moderejection,andonlyoneexternalresistortosetthe
gain.
AD623为一款基于3运算放大器型的仪表放大器，可单、双电源工作，甚至在共模电压等于、低
于负电源轨（电源工作时，低于地电位）的情况下也可工作。还具有一些其它特点：轨至轨输出摆
幅、低电源电流、低输入/输出电压失调、微伏级直流失调漂移、高共模抑制比、单个外部增益设
定电阻、MSOP封装。
AsshowninFigure3-42,theinputsignalisappliedtoPNPtransistorsactingasvoltagebuffersanddc
levelshifters.Aresistortrimmedtowithin0.1%of50kΩineachamplifier’s(A1andA2)feedback
pathensuresaccurategainprogrammability.
如图3-42所示，输入信号施加在充当电压跟随器和电平移动电路的PNP晶体管上。每一个放大
器（A1、A2）的反馈通路有一个微调精度优于0.1%的50KΩ电阻，可以保证精准的增益编程能
力。
Thedifferentialoutputis
差模输出为
o
G
oVR
KV)1001(?+=
whereRGisinkΩ.
式中RG单位为KΩ。
Thedifferentialvoltageisthenconvertedtoasingle-endedvoltageusingtheoutputdifferenceamplifier,
whichalsorejectsanycommon-modesignalattheoutputoftheinputamplifiers.
之后，差模电压被输出级差动放大器变换为单端电压，同时消除输入级放大器输出的一切共模信号。
Sincealltheamplifierscanswingtoeithersupplyrail,aswellashavetheircommon-moderange
extendedtobelowthenegativesupplyrail,therangeoverwhichtheAD623canoperateisfurther
enhanced.
因为所有放大器摆幅都能接近电源轨，并且共模电压范围甚至可以扩展到负电源轨以下，AD623的
应用范围得以拓广。
NotethatthebasecurrentsofQ1andQ2flowdirectlyoutoftheinputterminals,unlikedual-supply,
input-current-compensatedin-ampssuchastheAD620.Sincetheinputs(i.e.,thebasesofQ1andQ2)
canoperateatground(i.e.,0Vor,morecorrectly,200mVbelowground),itisnotpossibletoprovide
inputcurrentcompensationfortheAD623.However,theinputbiascurrentoftheAD623isstillvery
small:only25nAmax.
请注意！晶体管Q1、Q2的偏置电流直接流出输入端，与双电源放大器不同，比如AD620的输入
电流补偿。因为输入（即Q1、Q2的偏置）可以在地电位工作（即0V，或者准确说，地电位200mV
以下），因此AD623无需输入电流补偿。然而，AD623的输入偏置电流依然很低：最大只有25nA。
TheoutputvoltageatPin6ismeasuredwithrespecttothereferencepotentialatPin5.Theimpedanceof
thereferencepinis100kΩ.InternalESDclampingdiodesallowtheinput,reference,output,andgain
terminalsoftheAD623tosafelywithstandovervoltagesof0.3Vaboveorbelowthesupplies.Thisis
trueforallgains,andwithpoweronoroff.Thislastcaseisparticularlyimportant,sincethesignalsource
andthein-ampmaybepoweredseparately.Iftheovervoltageisexpectedtoexceedthisvalue,thecurrent
throughthesediodesshouldbelimitedto10mA,usingexternalcurrentlimitingresistors(seeInput
ProtectionBasicsforADIIn-AmpssectioninChapter5).Thevalueoftheseresistorsisdefinedbythe
in-amp’snoiselevel,thesupplyvoltage,andtherequiredovervoltageprotectionneeded.
引脚6的输出电压测量相对于引脚5的参考电位。参考电位引脚的输入阻抗为100KΩ。输入端、
参考电位端、输出端、增益电阻连接端，设有内部静电拑位二极管，可承受比电源轨宽0.3V的过
压，静电保护在任意增益值、甚至电源开启/关闭时均有效。应用外部限流电阻，过压超过该值
时，流经保护二极管的电流被限制为10mA（请阅读第5章，ADI仪表放大器输入保护）。限流电
阻的取值，取决于仪表放大器的噪声电平、电源电压、所需的过压保护。
ThebandwidthoftheAD623isreducedasthegainisincreasedsinceA1andA2arevoltagefeedbackop
amps.However,evenathighergains,theAD623stillhasenoughbandwidthformanyapplications.
因为A1、A2为电压反馈运算放大器，AD623增益提高时，带宽变窄。但是，在许多应用中，即使在
较高增益，仍有足够的带宽。
TheAD623’sgainisresistor-programmedbyRGormorepreciselybywhateverimpedanceappears
betweenPins1and8.Figure3-43showsthegainvs.frequencyoftheAD623.TheAD623is
laser-trimmedtoachieveaccurategainsusing0.1%to1%toleranceresistors.
AD623增益可通过RG设定，可以在引脚1、8之间外接任意阻值的电阻进行精确设定。图3-43为
AD623增益与频率的关系。AD623是激光微调的，应用0.1%~1%容差的电阻可获得准确的增益
值。
Figure3-44showstheAD623’sCMRvs.frequency.NotethattheCMRincreaseswithgainuptoagain
of100andthatCMRalsoremainshighoverfrequency,upto200Hz.Thisensurestheattenuationof
powerlinecommon-modesignals(andtheirharmonics).
图3-44为AD623的共模抑制比与频率的关系（电源电压±5V）。注意，共模抑制比随增益升高
而升高，直到增益为100倍，并且，频率超过200Hz时，仍保持较高的共模抑制比。这样可保证对
电力线共模电压及其谐波的有效衰减。
Figure3-45showsthegainnonlinearityoftheAD623.Figure3-46showsthesmallsignalpulseresponse
oftheAD623.
图3-45为AD623的增益非线性特性，图3-46为AD623的小信号脉冲响应。
Table3-3showsrequiredvaluesofRGforvariousgains.NotethatforG=1,theRGterminalsare
unconnected(RG=∞).Foranyarbitrarygain,RGcanbecalculatedusingtheformula
表3-3为不同增益值所需要的增益电阻RG的阻值。注意，没有外接RG时为单位增益。对任
意增益值，RG值可用下式计算：
1
100
?
?=
G
KR
G
7））））LowPower,Single-SupplyIn-Amps
低功耗低功耗低功耗低功耗、、、、单电源仪表放大器单电源仪表放大器单电源仪表放大器单电源仪表放大器
TheAD627isasingle-supply,micro-powerinstrumentationamplifierthatcanbeconfiguredforgains
between5and1000usingjustasingleexternalresistor.Itprovidesarail-to-railoutputvoltageswing
usingasingle3Vto30Vpowersupply.Withaquiescentsupplycurrentofonly60uA(typical),itstotal
powerconsumptionislessthan180uW,operatingfroma3Vsupply.
AD627为单电源、微功耗仪表放大器，应用外部增益电阻可在5~1000的范围内设定增益。单电
源电压3~30V，轨至轨输出。应用3V电源电压时，静态工作电流典型值60uA，总功耗低于180uW。
Figure3-47isasimplifiedschematicoftheAD627.TheAD627isatrueinstrumentationamplifierbuilt
usingtwofeedbackloops.Itsgeneralpropertiesaresimilartothoseoftheclassic2-opamp
instrumentationamplifierconfigurationandcanberegardedassuch,butinternallythedetailsare
somewhatdifferent.TheAD627usesamodifiedcurrentfeedbackscheme,which,coupledwith
inter-stagefeed-forwardfrequencycompensation,resultsinamuchbetterCMRRatfrequenciesabovedc
(notablythelinefrequencyof50Hzto60Hz)thanmightotherwisebeexpectedofalowpower
instrumentationamplifier.
图3-47为简化的AD627原理图。AD627是内置两个反馈环路的真仪表放大器。它的一般特性与
常规的2运算放大器型仪表放大器相似，但内部细节有差异。AD627应用改进的电流反馈，附加
内部前馈频率补偿，与其它低功耗仪表放大器相比，交流共模抑制特性（特别是50Hz、60Hz工频）
更优秀。
AsshowninFigure3-47,A1completesafeedbackloop,which,inconjunctionwithV1andR5,forcesa
constantcollectorcurrentinQ1.Assumeforthemomentthatthegain-settingresistor(RG)isnotpresent.
ResistorsR2andR1completetheloopandforcetheoutputofA1tobeequaltothevoltageonthe
invertingterminalwithagainof(almostexactly)1.25.AnearlyidenticalfeedbackloopcompletedbyA2
forcesacurrentinQ2,whichissubstantiallyidenticaltothatinQ1,andA2alsoprovidestheoutput
voltage.Whenbothloopsarebalanced,thegainfromthenoninvertingterminaltoVOUTisequalto5,
whereasthegainfromtheoutputofA1toVOUTisequalto–4.TheinvertingterminalgainofA1
(1.25),timesthegainofA2(–4),makesthegainfromtheinvertingandnoninvertingterminalsequal.
如图3-47所示，放大器A1与电压源V1、电阻R5构成反馈环路，晶体管集电极电流强制为恒
定值。暂时假设增益设定电阻RG未接，电阻R2、R1构成的环路使A1的输出电压强制等于反相
输入端的电压的1.25倍。另一个几乎完全相同的、由A2构成的反馈环路，强制使晶体管Q2的
集电极电流严格等于晶体管Q1的集电极电流，同时，放大器A2还完成仪表放大器的电压输出。
两个环路平衡时，从反相输入端到输出端的VOUT的增益为5倍，从A1输出端到Vout的增益
为-4倍。放大器A1的增益为（从其反相输入端）1.25倍，乘以放大器A2的增益，使得反相
输入端、同相输入端到输出端的增益相等（均为5倍）。
Thedifferentialmodegainisequalto1+R4/R3,nominally5,andisfactorytrimmedto0.01%final
accuracy(AD627Btyp).Addinganexternalgainsettingresistor(RG)increasesthegainbyanamount
equalto(R4+R1)/RG.ThegainoftheAD627isgivenbythefollowingequation:
差模增益等于1+R4/R3，一般为5倍，最终工厂微调精度0.01%（AD627典型值）。可通过
外接增益电阻RG提高增益，增益增量为（R4+R1）/RG。AD627的增益由下式给出：
GR
KG?+=2005
LasertrimsareperformedonresistorsR1throughR4toensurethattheirvaluesareascloseaspossibleto
theabsolutevaluesinthegainequation.Thisensureslowgainerrorandhighcommon-moderejectionat
allpracticalgains.
电阻R1~R4都是经过激光微调的，确保他们的值足够接近以得到准确的绝对增益值。这样就可
保证在所有工作增益下的低增益误差、高共模抑制比性能。
Figure3-48showstheAD627’sCMRvs.frequency.Figures3-49and3-50showtheAD627’sgainvs.
frequencyandgainnonlinearity.
图3-48为AD627的共模抑制比---频率特性。图3-49、3-50分别为AD627的增益---频率特性、
增益非线性特性。
TheAD627alsohasexcellentdynamicresponse,asshowninFigure3-51.
AD627还具有优秀的动态响应，如图3-51所示。
8））））Gain-ProgrammableIn-Amps
增益可编程仪表放大器增益可编程仪表放大器增益可编程仪表放大器增益可编程仪表放大器
TheAD8250andAD8251(Figure3-52)aredigitallygain-programmableinstrumentationamplifiersthat
havehigh(GΩ)inputimpedancesandlowdistortion,makingthemsuitableforsensorinterfacingand
drivinghighsamplerateanalog-to-digitalconverters.Thetwoproductsarenearlyidentical,exceptfor
theirgainranges.TheAD8250hasprogrammablegainsof1,2,5,and10,whiletheAD8251hasarange
of1,2,4,and8(forbinaryapplications).Bothproductshavehighbandwidthsof10MHz,lowdistortion,
andasettlingtimeof0.5usto0.01%.Inputoffsetdriftandgaindriftareonly1uV/℃and10ppm/℃,
respectively.Inadditiontotheirwideinputcommon-voltagerange,theyboastahighcommon-mode
rejectionof80dBatG=1fromdcto100kHz.Thecombinationofprecisiondcperformancecoupled
withhighspeedcapabilitiesmakestheAD8250andAD8251excellentcandidatesfordataacquisitionand
medicalapplications.Furthermore,thesemonolithicsolutionssimplifydesignandmanufacturing,while
boostingtheirperformance,bymaintainingatightmatchofinternalresistorsandamplifiers.
AD8250、AD8251（图3-52）仪表放大器，增益可数字编程、输入阻抗（GΩ数量级）高、失真低，
适合传感器、高采样率模数转换器应用。两款产品，除了增益范围不同，性能几乎相同。AD8250的
可编程增益为1、2、5、10；AD8251的可编程增益为1、2、4、8（为二进制应用设计）。都具
有10MHz带宽，低失真，建立时间0.5us/0.01%，输入失调漂移1uV/℃，增益漂移10ppm/℃。
二者还具有较宽的共模电压输入范围，从直流到100KHz范围内单位增益下共模抑制比为80dB。
直流精密特性、高速处理特性集于一体，使得AD8250、AD8251成为数据采集、医学应用的首选。
此外，这些方案通过内部电阻与放大器之间的严格匹配，在保证自身优良性能的前提下，使设计、
制造更加简便。
TheAD8250andAD8251userinterfacesarecomprisedofaparallelportthatallowsuserstosetthegain
inoneofthreedifferentways(Figure3-52).A2-bitwordsenttoA1andA2viaabusmaybelatched
usingtheCLKinput.Analternativeistosetthegainwithin1usbyusingthegainportintransparent
mode.ThelastmethodistostrapA1andA2toahighorlowvoltagepotential,permanentlysettingthe
gain.
AD8250、AD8251用户接口包含一个并行口，用户可用三种方法进行增益设定（图3-52）：通过总
线向引脚A1、A2发送一个2bit控制字，在CLK信号作用下锁存；用透明模式下的增益端口，
在1us内完成；引脚A1、A2维持不同的高低电平，进行增益的永久设置。
TheAD8250andAD8251areavailableina10-leadMSOPpackageandarespecifiedoverthe–40C
to+125℃temperaturerange,makingthemanexcellentsolutionforapplicationswheresizeandpacking
densityareimportantconsiderations.Tosimplifymatters,theirpinoutwaschosentooptimizelayoutand
increaseacperformance.
AD8250、AD8251有10引脚的MSOP封装形式，标称温度范围-40~125℃。适合用于电路板
尺寸、原件密度需要特别考虑的情况下。引出线方式优化，交流性能提高，便于应用。
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