ad8221: 高精度計装アンプ - analog devices...スルーレート:2v/μs ロー・ノイズ...
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高精度計装アンプ
アナログ・デバイセズ株式会社本 社/東京都港区海岸1-16-1 電話03(5402)8200 〒105-6891
ニューピア竹芝サウスタワービル大阪営業所/大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36 電話06(6350)6868(代)〒532-0003
新大阪MTビル2号
REV.A
AD8221
アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許やその他権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。*日本語データシートは、REVISIONが古い場合があります。最新の内容については英語版をご参照ください。©2003 Analog Devices, Inc. All rights reserved.
特長省スペースのMSOPパッケージ
1個の外付け抵抗でゲインを設定(ゲイン範囲:1~1000)
広い電源範囲:±2.3~±18V
仕様性能の温度範囲:-40~+85℃
最大125℃まで動作可能1
優れたAC仕様
CMRR:10kHzまで最小80dB(G=1)
-3dB帯域幅:825kHz(G=1)
スルーレート:2V/μs
ロー・ノイズ
入力電圧ノイズ:1kHzで最大8nV/√Hz
入力ノイズ:0.25μV p-p(0.1~10Hz)
高精度なDC性能(AD8221BR)
CMRR:最小90dB(G=1)
入力オフセット電圧:最大25μV
入力オフセット・ドリフト:最大0.3μV/℃
入力バイアス電流:最大0.4nA
アプリケーション重量計工業用プロセス制御ブリッジ・アンプ高精度データ・アクイジション・システム医療計測機器ストレーン・ゲージトランスデューサ・インターフェース
概要AD8221は、広い周波数範囲で業界最高のCMRRを提供する、ゲイン設定可能な高性能計装アンプです。市販の計装アンプのCMRRは、200Hzから低下します。これに対して、すべてのグレードのAD8221は、G=1で最小80dBのCMRRを10kHzまで維持します。AD8221は広い周波数範囲でCMRRが高いため、広帯域干渉と電源高調波を阻止することができ、フィルタ条件を大幅に簡素化します。アプリケーションとしては、高精度データ・アクイジション、生物医学的解析機器、航空宇宙の計装機器などがあります。
低い電圧オフセット、低いオフセット・ドリフト、低いゲイン・ドリフト、高いゲイン精度、高いCMRRを持つAD8221は、ブリッジ・シグナル・コンデショニングのような最高のDC性能を必要とするアプリケーションに最適です。
ゲインが設定可能なので、デザインに柔軟性が生まれます。1個の抵抗で、ゲインを1~1000に設定できます。AD8221は単電源と両電源のいずれでも動作するため、±10Vの入力電圧を持つアプリケーションに適しています。
AD8221は低価格の8ピンのSOICおよびMSOPパッケージを採用しており、どちらも業界最高の性能を提供しています。MSOPはSOICの半分のボード面積で済むため、多チャンネル・アプリケーションやスペース制約の厳しいアプリケーションに最適です。
全グレードで工業温度範囲-40~+85℃で仕様規定しています。さらに、AD8221は-40~+125℃で動作します1。
1 85~125℃での期待動作については「代表的な性能曲線」を参照してください。
図1. SOICおよびMSOPの接続図
接続図
8
7
6
5
1
2
3
4
–IN
RG
RG
+VS
VOUT
REF
–VS+IN
上面図
AD8221
0314
9-0-
001
40
50
60
70
80
90CMRR(dB)
100
110
120
周波数(Hz)
10010 1k 10k 100k
0314
9-0-
002
AD8221
競合品1
競合品2
図2. 代表的なCMRRの周波数特性、G=1
AD8221
2 REV.A
目次
仕様 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
絶対最大定格 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥5
ESDの注意 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥5
代表的な性能特性 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
動作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
ゲインの選択‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14
レイアウト‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14
リファレンス・ピン‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
電源のレギュレーションとパイパス‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
入力バイアス電流のリターン・パス‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
入力保護‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
RF干渉 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16
高精度ストレイン・ゲージ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16
+5V差動入力ADCに対する±10V信号のコンデショニング ‥‥17
AC結合の計装アンプ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥17
外形寸法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18
オーダー・ガイド‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18
改訂履歴
リビジョンA
03年11月―データシートをRev. 0からRev. Aに改版
変更 ページ
「特長」を変更‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1
「仕様」を変更‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4
「動作原理」を変更 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
「ゲインの選択」を変更 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14
AD8221
3REV.A
仕様表1. 特に指定のない限り、VS=±15V、VREF=0V、TA=+25℃、G=1、RL=2kΩ
ARグレード BRグレード ARMグレードパラメータ 条件 Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max 単位
コモン・モード除去比(CMRR)DC~60Hz、1kΩソース VCM=-10~+10V不平衡でのCMRRG=1 80 90 80 dBG=10 100 110 100 dBG=100 120 130 120 dBG=1000 130 140 130 dB
10kHzでのCMRR VCM=-10~+10VG=1 80 80 80 dBG=10 90 100 90 dBG=100 100 110 100 dBG=1000 100 110 100 dB
ノイズ RTI noise=√eNI2+(eNO/G)2
電圧ノイズ、1kHz入力電圧ノイズ、eNI VIN+、VIN-、VREF=0 8 8 8 nV/√Hz出力電圧ノイズ、eNO 75 75 75 nV/√Hz
RTI f=0.1~10HzG=1 2 2 2 μV p-pG=10 0.5 0.5 0.5 μV p-pG=100~1000 0.25 0.25 0.25 μV p-p
電流ノイズ f=1kHz 40 40 40 fA/√Hzf=0.1~10Hz 6 6 6 pA p-p
電圧オフセット1
入力オフセット、VOSI VS=±5~±15V 60 25 70 μV温度特性 T=-40~+85℃ 86 45 135 μV平均TC 0.4 0.3 0.9 μV/℃
出力オフセット、VOSO VS=±5~±15V 300 200 600 μV温度特性 T=-40~+85℃ 0.66 0.45 1.00 mV平均TC 6 5 9 μV/℃
オフセットRTI対電源(PSR) VS=±2.3~±18VG=1 90 110 94 110 90 100 dBG=10 110 120 114 130 100 120 dBG=100 124 130 130 140 120 140 dBG=1000 130 140 140 150 120 140 dB
入力電流入力バイアス電流 0.5 1.5 0.2 0.4 0.5 2 nA温度特性 T=-40~+85℃ 2.0 1 3 nA平均TC 1 1 3 pA/℃
入力オフセット電流 0.2 0.6 0.1 0.4 0.3 1 nA温度特性 T=-40~+85℃ 0.8 0.6 1.5 nA平均TC 1 1 3 pA/℃
リファレンス入力RIN 20 20 20 kΩIIN VIN+、VIN-、VREF=0 50 60 50 60 50 60 μA電圧範囲 -VS +VS -VS +VS -VS +VS V出力までのゲイン 1±0.0001 1±0.0001 1±0.0001 V/V
電源動作範囲 VS=±2.3~±18V ±2.3 ±18 ±2.3 ±18 ±2.3 ±18 V静止電流 0.9 1 0.9 1 0.9 1 mA温度特性 T=-40~+85℃ 1 1.2 1 1.2 1 1.2 mA
AD8221
4 REV.A
ARグレード BRグレード ARMグレードパラメータ 条件 Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max 単位
ダイナミック応答小信号-3dB帯域幅G=1 825 825 825 kHzG=10 562 562 562 kHzG=100 100 100 100 kHzG=1000 14.7 14.7 14.7 kHz
セトリング時間0.01% 10VステップG=1~100 10 10 10 μsG=1000 80 80 80 μs
セトリング時間0.001% 10VステップG=1~100 13 13 13 μsG=1000 110 110 110 μs
スルーレート G=1 1.5 2 1.5 2 1.5 2 V/μsG=5-100 2 2.5 2 2.5 2 2.5 V/μs
ゲイン G=1+(49.4kΩ/RG)ゲイン範囲 1 1000 1 1000 1 1000 V/Vゲイン誤差 VOUT ±10VG=1 0.03 0.02 0.1 %G=10 0.3 0.15 0.3 %G=100 0.3 0.15 0.3 %G=1000 0.3 0.15 0.3 %
ゲインの非直線性 VOUT=-10~+10VG=1~10 RL=10kΩ 3 10 3 10 5 15 ppmG=100 RL=10kΩ 5 15 5 15 7 20 ppmG=1000 RL=10kΩ 10 40 10 40 10 50 ppmG=1~100 RL=2kΩ 10 95 10 95 15 100 ppm
ゲインの温度特性G=1 3 10 2 5 3 10 ppm/℃G > 12 -50 -50 -50 ppm/℃
入力入力インピーダンス差動 100‖2 100‖2 100‖2 GΩIIpFコモン・モード 100‖2 100‖2 100‖2 GΩIIpF入力動作 VS=±2.3~±5V -VS+1.9 +VS-1.1 -VS+1.9 +VS-1.1 -VS+1.9 +VS-1.1 V電圧範囲3
温度特性 T=-40~+85℃ -VS+2.0 +VS-1.2 -VS+2.0 +VS-1.2 -VS+2.0 +VS-1.2 V入力動作 VS=±5~±18V -VS+1.9 +VS-1.2 -VS+1.9 +VS-1.2 -VS+1.9 +VS-1.2 V電圧範囲温度特性 T=-40~+85℃ -VS+2.0 +VS-1.2 -VS+2.0 +VS-1.2 -VS+2.0 +VS-1.2 V
出力 RL=10kΩ出力振幅 VS=±2.3~±5V -VS+1.1 +VS-1.2 -VS+1.1 +VS-1.2 -VS+1.1 +VS-1.2 V温度特性 T=-40~+85℃ -VS+1.4 +Vs-1.3 -VS+1.4 +Vs-1.3 -VS+1.4 +Vs-1.3 V
出力振幅 VS=±5~±18V -VS+1.2 +VS-1.4 -VS+1.2 +VS-1.4 -VS+1.2 +VS-1.4 V温度特性 T=-40~+85℃ -VS+1.6 +VS-1.5 -VS+1.6 +VS-1.5 -VS+1.6 +VS-1.5 V
短絡電流 18 18 18 mA
温度範囲仕様性能 -40 +85 -40 +85 -40 +85 ℃動作範囲4 -40 +125 -40 +125 -40 +125 ℃
1. 合計RTI VOS=(VOSI)+(VOSO/G)。2. 外付け抵抗RGの影響は含みません。3. 一方の入力をグラウンドに接続。G=1。4. 85~125℃での期待動作については「代表的な性能曲線」を参照してください。
AD8221
5REV.A
パラメータ 定格
電源電圧 ±18V
内部消費電力 200mW
出力短絡電流 無限
入力電圧(コモン・モード) ±VS
差動入力電圧 ±VS
保存温度 -65~+150℃
動作温度範囲* -40~+125℃
表2. AD8221の絶対最大定格
絶対最大定格
* 仕様性能の温度範囲は-40~+85℃です。+85~+125℃での期待動作については「代表的な性能曲線」を参照してください。
注意
ESD(静電放電)の影響を受けやすいデバイスです。人体や試験機器には4,000Vもの高圧の静電気が容易に蓄積さ
れ、検知されないまま放電されることがあります。本製品は当社独自のESD保護回路を内蔵してはいますが、デバ
イスが高エネルギーの静電放電を被った場合、回復不能の損傷を生じる可能性があります。したがって、性能劣下
や機能低下を防止するため、ESDに対する適切な予防措置を講じることをお勧めします。
WARNING!
ESD SENSITIVE DEVICE
絶対最大定格を超えるストレスを加えると、デバイスに恒久的な損傷を与えることがあります。この規定は、ストレス定格のみを指定するものであり、この仕様の動作に関するセクションに記載されている規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありません。長時間デバイスを絶対最大定格状態に置くと、デバイスの信頼性に影響を与えることがあります。
仕様は、自然空冷のデバイスで規定。SOICのθJA (4層JEDECボード)=121℃/WMSOPのθJA (4層JEDECボード)=135℃/W
AD8221
6 REV.A
代表的な性能特性(特に指定のない限り、+25℃、VS=±15V、RL=10kΩ)
0
200
400
600
800
1000
単位
単位
単位
1200
1400
1600
0–50–100–150 50 100 150
CMR(μV/V)
入力オフセット電圧(μV)
入力バイアス電流(nA)
単位
入力コモン・モード電圧(V)
入力コモン・モード電圧(V)
入力オフセット電流(nA)
出力電圧(V)
出力電圧(V)
0314
9-0-
003
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
0–20–40–60 20 40 60
0314
9-0-
004
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0–0.5–1.0–1.5 0.5 1.0 1.5
0314
9-0-
005
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0–0.3–0.6–0.9 0.3 0.6 0.9
0314
9-0-
006
–15
–10
–5
0
5
10
15
–5 0–15 –10 5 10 15
0314
9-0-
007
VS =±15V
–15
–10
–5
0
5
10
15
–5 0–15 –10 5 10 15
0314
9-0-
008
V
VS =±15V
図3. 代表的なCMRの分布(G=1) 図6. 代表的な入力オフセット電流の分布
図4. 代表的な入力オフセット電圧の分布 図7. 入力コモン・モードレンジ 対 出力電圧、G=1
図5. 代表的な入力バイアス電流の分布 図8. 入力コモン・モードレンジ 対 出力電圧、G=100
VS =±5V
S =±5V
AD8221
7REV.A
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
入力バイアス電流(nA)
0.70
0.75
0.80
–5 0–15 –10 5 10 15
コモン・モード電圧(V)
入力オフセット電圧の変化(μV)
ウォームアップ時間(min)
入力電流(nA)
温度(℃)
PSRR (dB)
周波数(Hz)
PSRR (dB)
周波数(Hz)
総合ドリフト25~85℃ RTI (μV)
ソース抵抗(Ω)
0314
9-0-
009
VS =±5V
VS =±15V
0
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
0.10.01 1 10
0314
9-0-
010
–5.0
–4.0
–3.0
–2.0
–1.0
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
–40 –20 0 20 40 60 80 100 120 140
0314
9-0-
011
入力バイアス電流
VS =±15V
入力オフセット電流
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0.1 1 10 100 1k 10k 100k 1M
0314
9-0-
012
ゲイン = 1
ゲイン = 10
ゲイン = 100
ゲイン = 1000
ゲイン = 1000
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0.1 1 10 100 1k 10k 100k 1M
0314
9-0-
013
ゲイン = 1
ゲイン = 10
ゲイン = 100
ゲイン = 1000
10
100
1k
10k
100k
1k 10k10 100 100k 1M 10M
0314
9-0-
014
市販最高性能のFET入力計装アンプのゲイン=1
市販最高性能のFET入力計装アンプのゲイン=1000
AD8221ゲイン=1
AD8221ゲイン=1000
図9. IBIAS 対 CMV 図12. 正側PSRRの周波数特性、RTI (G=1~1000)
図10. 入力オフセット電圧の変化 対 ウォームアップ時間 図13. 負側PSRRの周波数特性、RTI (G=1~1000)
図11. 入力バイアス電流とオフセット電流の温度特性 図14. 総合ドリフト 対 ソース抵抗
AD8221
8 REV.A
–30
–20
–10
0
10
20
30
40
50
60
70
100 1k 10k 100k 1M 10M
0314
9-0-
015
ゲイン = 1000
ゲイン = 100
ゲイン = 10
ゲイン = 1
40
60
80
100
120
140
160
0.1 1 10 100 1k 10k 100k 1M
0314
9-0-
016
ゲイン = 1000
ゲイン = 1000
ゲイン = 100
ゲイン = 100
ゲイン = 10
ゲイン = 10
ゲイン = 1
40
60
80
100
120
140
160
0.1 1 10 100 1k 10k 100k 1M
0314
9-0-
017
ゲイン = 1000
ゲイン = 1000
ゲイン = 100
ゲイン = 100
ゲイン = 10
ゲイン = 10
ゲイン = 1
–100
–80
–60
–40
–20
0
20
40
60
80
100
–40 –20 0 20 40 60 80 100 120 140
0314
9-0-
041
–VS +0.0
+0.4
+0.8
+1.2
+1.6
+2.0
+2.4
–1.6
–2.0
–2.4
–1.2
–0.8
–0.4
+VS –0.0
50 10 15 20
50 10 15 20
0314
9-0-
018
–VS +0.0
+0.4
+0.8
+1.2
+1.6
+2.0
–1.6
–2.0
–1.2
–0.8
–0.4
+VS –0.0
0314
9-0-
019
RL = 10kΩ
RL = 2kΩ
RL = 10kΩ
RL = 2kΩ
ゲイン(dB)
周波数(Hz)
図15. ゲインの周波数特性
CMR (μV/V)
温度(℃)
図18. CMRの温度特性
CMRR (dB)
周波数(Hz)
図16. CMRRの周波数特性、RTI
入力電圧限界値(V)
電源電圧換算
±電源電圧(V)
図19. 入力電圧限界値 対 電源電圧、G=1
CMRR (dB)
周波数(Hz)
図17. CMRRの周波数特性、RTI、1kΩソース不平衡
出力電圧振幅(V)
電源電圧換算
±電源電圧(V)
図20. 出力電圧振幅 対 電源電圧、G=1
AD8221
9REV.A
0
20
10
30
101 100 1k 10k
0314
9-0-
020
VS =±15V
–VS+0
+1
+2
+3
–3
–2
–1
+VS–0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0314
9-0-
021
ソース
シンク
–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10
VS =±15V
0314
9-0-
022
VS =±15V
0314
9-0-
023
0
VS =±15V
0314
9-0-
024
1
100
10
1k
1 10 100 1k 10k 100k
0314
9-0-
025
ゲイン = 1
ゲイン = 1000BW限界値
ゲイン = 10
ゲイン= 100
ゲイン = 1000
出力電圧振幅(V)
電源電圧換算
出力電流(mA)
図22. 出力電圧振幅 対 出力電流、G=1
誤差(1ppm/DIV)
出力電圧(V)
図23. ゲインの非直線性、G=1、RL=10kΩ
出力電圧振幅(V p-p)
負荷抵抗(Ω)
図21. 出力電圧振幅 対 負荷抵抗
誤差(100ppm/DIV)
出力電圧(V)
図25. ゲインの非直線性、G=1000、RL=10kΩ
電圧ノイズRTI ( nV/√Hz)
周波数(Hz)
図26. 電圧ノイズ・スペクトル密度の周波数特性(G=1~1000)
誤差(10ppm/DIV)
出力電圧(V)
図24. ゲインの非直線性、G=100、RL=10kΩ
–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10
–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10
AD8221
10 REV.A
1s/DIV2μV/DIV 0314
9-0-
026
1s/DIV0.1μV/DIV 0314
9-0-
027
10
100
1k
周波数(Hz)
101 100 1k 10k
0314
9-0-
028
1s/DIV5pA/DIV 0314
9-0-
029
0
5
10
15
20
25
30
1k 100k10k 1M
0314
9-0-
030
ゲイン = 1 ゲイン = 10, 100, 1000
VS = 15V
20μs/DIV
10mV/DIV0.01%まで7.9μs0.001%まで8.5μs
5V/DIV
0314
9-0-
031
出力電圧(V p-p)
周波数(Hz)
図31. 大信号周波数応答
電流ノイズ( fA/√Hz)
図29. 電流ノイズ・スペクトル密度の周波数特性
図28. 0.1~10Hz RTI電圧ノイズ(G=1000)
図30. 0.1~10Hzの電流ノイズ図27. 0.1~10Hz RTI電圧ノイズ(G=1)
図32. 大信号パルス応答とセトリング時間(G=1)、0.002%/div
AD8221
11REV.A
20μs/div
10mV/div0.01%まで4.9μs0.001%まで5.6μs
5V/div
0314
9-0-
032
20μs/DIV
10mV/DIV0.01%まで10.3μs0.001%まで13.4μs
5V/DIV
0314
9-0-
033
20μs/DIV
10mV/DIV0.01%まで83μs0.001%まで112μs
5V/DIV
0314
9-0-
034
4μs/DIV
20mV/DIV
0314
9-0-
035
4μs/DIV
20mV/DIV
0314
9-0-
036
10μs/DIV
20mV/DIV
0314
9-0-
037
図33. 大信号パルス応答とセトリング時間(G=10)、0.002%/div
図36. 小信号応答、G=1、RL=2kΩ、CL=100pF
図34. 大信号パルス応答とセトリング時間(G=100)、0.002%/div
図37. 小信号応答、G=10、RL=2kΩ、CL=100pF
図35. 大信号パルス応答とセトリング時間(G=1000)、0.002%/div
図38. 小信号応答、G=100、RL=2kΩ、CL=100pF
AD8221
12 REV.A
2
100μs/DIV
20mV/DIV
0314
9-0-
038
0
10
5
15
50 10 15
0314
9-0-
039
20
0.01%に整定
0.001%に整定
1
100
10
1k
1 10010 1k
0314
9-0-
040
0.001%に整定
0.01%に整定
セトリング時間(μs)
出力電圧ステップ・サイズ(V)
図40. セトリング時間 対 ステップ・サイズ(G=1)
セトリング時間(μs)
ゲイン
図41. セトリング時間 対 ゲイン、10Vステップ図39. 小信号応答、G=1000、RL=2kΩ、CL=100pF
AD8221
13REV.A
AD8221は従来型の3オペアンプ構成をベースとするモノリシック計装アンプです。入力トランジスタQ1とQ2は固定電流でバイアスされているため、差動入力信号に従ってA1とA2の出力電圧が変化します。入力に加えられた信号によってA1とA2の出力が正しい電圧を出力するように、RG、R1、R2を流れる電流を発生します。回路的には、Q1、A1、R1およびQ2、A2、R2は、高精度な電流帰還アンプと見なすことができます。増幅された差動およびコモン・モード信号は、コモン・モード電圧を除去しかつ差動電圧を増幅する差動アンプに入力されます。この差動アンプは新技術により、低出力オフセット電圧と低出力オフセット電圧ドリフトを実現しています。抵抗のレーザー・トリムにより、20ppm以下(typ)のゲイン誤差と90dB以上のCMRR (G=1)を持つ非常に正確な計装アンプが可能になっています。
AD8221はスーパーβ入力トランジスタとIB補償方式を採用しているため、極めて高い入力インピーダンス、小さいIB、低IBドリフト、小さいIOS、低入力バイアス電流ノイズ、8 nV/√Hzの極めて小さい電圧ノイズを提供します。
AD8221の伝達関数は次式で表されます。
ゲインは、1個の標準抵抗を使って容易かつ正確に設定できます。
入力アンプは電流帰還アーキテクチャを採用しているため、AD8221のゲイン帯域幅積はゲインとともに増加し、電圧帰還アーキテクチャの場合のように高ゲインで帯域幅の減少が発生しないシステムを得ることができます。
AD8221のデザインとレイアウトは、低入力レベルでも高精度を維持するための特別な注意を払っており、厳しい性能要求を持つ多くのアプリケーションを満足させる計装アンプを実現しています。
AD8221は独自なピン配置により、10kHz で80dB(G=1)、1kHzで110dB(G=1000)のCMRR仕様を満たしています。図43に示すバランスのとれたピン配置により、これまでCMRR性能に悪影響を与えていた寄生を減少させています。さらに、この新しいピン配置では、関連するパターンが一緒にまとめられたため、ボード・レイアウトがシンプルになっています。たとえば、ゲイン設定抵抗ピンは入力に隣接し、リファレンス・ピンは出力の隣になっています。
C1 C2
+VS+VS
+IN–IN
–VS
–VS
10kΩ
10kΩ
10kΩ
400Ω 400Ω
10kΩ REF
IB補償 IB補償
出力
+VS
–VS
+VS
–VS
+VS
VBI I
R1 24.7kΩ 24.7kΩ
RG
Q1
R2
Q2
–VS
+VS
–VS
A2A1
A3
0314
9-0-
042
図42. 簡略化した回路図
動作原理
G =1+49.4kΩ
RG
図43. ピン配置
8
7
6
5
1
2
3
4
–IN
RG
RG
+VS
VOUT
REF
–VS+IN
上面図
AD8221
0314
9-0-
001
AD8221
14 REV.A
ゲインの選択RGピン間に抵抗を接続すると、AD8221のゲインが設定されます。ゲインは、表3またはゲインの式を使って求めることができます。
RG(Ω)の標準値(1%) ゲイン計算値
49.9k 1.990
12.4k 4.984
5.49k 9.998
2.61k 19.93
1.00k 50.40
499 100.0
249 199.4
100 495.0
49.9 991.0
表3. 1%抵抗を使った場合のゲイン
RG =49.4kΩ
G-1
ゲイン抵抗を使わない場合は、AD8221はG=1(デフォルト)に設定されます。ゲイン精度は、RGの絶対偏差で決定されます。外付けゲイン抵抗のTCにより、計装アンプのゲイン・ドリフトは大きくなります。ゲイン抵抗を使用しない場合、ゲイン誤差とゲイン・ドリフトは最小に維持されます。
レイアウト最大のシステム性能を得るには、注意深いボード・レイアウトが必要です。ゲイン設定抵抗からRGピンまでのパターンは、寄生インダクタンスを小さくするためにできるだけ短くする必要があります。最も正確な出力を安定して得るには、REFピンからのパターンはAD8221に近いグラウンド(図47)またはAD8221に近いグラウンドを基準とする電圧に接続する必要があります。
コモン・モード除去比広い周波数範囲で高いCMRRを持つAD8221の利点の1つは、電源ノイズとその高調波のような外乱に対する耐性が、一般的な計装アンプより優れていることです。これらの計装アンプは、一般に、200HzでCMRRが低下するため、コモン・モード・フィルタがこの不足を補償する必要があります。AD8221は広い周波数範囲でCMRRを阻止できるため、フィルタの必要性は減少します。
レイアウトに注意すると、AD8221の高いCMRRを広い周波数範囲で維持するのに役立ちます。入力ソース・インピーダンスと容量は一致している必要があります。さらに、ソース抵抗と容量は可能な限り入力の近くに配置する必要があります。
グラウンディングAD8221の出力電圧は、リファレンス・ピンの電位を基準に発生します。REFを適切な“最寄りのグラウンド”に接続するように注意してください。
ミックスド・シグナル環境では、低レベル・アナログ信号をノイズの多いデジタル環境からアイソレーションする必要があります。多くのADCはアナログ・グラウンド・ピンとデジタル・グラウンド・ピンを別々に持っています。両グラウンドを1つのグラウンド・プレーンに接続することは便利ですが、グラウンド配線とPCボードを通過する電流が数百ミリボルトの誤差を発生させることがあります。このため、アナログとデジタルのグラウンド・リターンは別々にして、敏感なポイントからシステム・グラウンドへ流れる電流を最小化する必要があります。図44と図45に、レイアウト例を示します。
0314
9-0-
051
0314
9-0-
052
図44. AD8221-EVALの表面
Figure図45. AD8221-EVALの裏面
AD8221
15REV.A
リファレンス・ピン図42に示すように、リファレンス・ピンREFは10kΩ抵抗の一端に接続されています。計装アンプの出力は、REFピンの電圧を基準にしています。これは、出力信号を電源の1/2レベルに高精度にオフセットさせる際に便利です。たとえば、AD8221がADCとインターフェースできるように、電圧源をREFピンに接続して出力をレベル・シフトさせることができます。許容リファレンス電圧範囲は、ゲイン、入力、電源電圧の関数になります。REFピンは、+VSまたは-VSを0.5V以上超えることはできません。
最適性能を得るには、REFピンへのソース・インピーダンスを小さく維持して、寄生抵抗がCMRRとゲイン精度に悪影響を与えないようにする必要があります。
電源のレギュレーションとパイパス安定したDC電圧で計装アンプに電源を供給する必要があります。電源ピンのノイズは性能に悪影響を与えることがあります。バイパス・コンデンサを使って、アンプをデカップリングする必要があります。
0.1μFのコンデンサは、必ず各電源ピンの近くに接続します。図47に示すように、10μFのタンタル・コンデンサはデバイスから離れたところに接続できます。多くの場合、このコンデンサは他の高精度ICと共用することができます。
AD8221
+VS
+IN
–IN
負荷REF
0.1μF 10μF
0.1μF 10μF
–VS
VOUT
0314
9-0-
043
図47. 電源のデカップリング。REFと出力は最寄りのグラウンド基準
図46
入力バイアス電流のリターン・パスAD8221の入力バイアス電流には、グラウンドへのリターン・パスが必要です。熱電対のように信号源がリターン電流パスを持っていない場合には、図48のように作成する必要があります。
+VS
REF
トランス
熱電対
–VS
AD8221
+VS
REF
–VS
AD8221
コンデンサ結合
+VS
REF
C
R
R
C
–VS
AD82211
HIGH-PASS = 2πRC
0314
9-0-
044
図48. IBIASパスの作成
f
入力保護AD8221のすべてのピンは、ESD保護されています1。さらに、入力構造により、負電源-VSより低いDC過負荷状態が許容されています。内部抵抗400Ωは、負電源故障時に電流を制限します。ただし、正電源+VSを超えるDC過負荷電圧の場合には、大きな電流がESDダイオードを通り正側レールに直接流れます。このため、入力に直列に外付け抵抗を接続して、+VSを超える電圧での電流を制限する必要があります。いずれの場合でも、AD8221は連続した6mAの電流を安全に流すことができます(正側過電圧の場合I=VIN/REXT、負側過電圧の場合I=VIN/(400Ω+REXT))。
心臓細動除去器のように、AD8221に非常に大きな過負荷電圧が入力されるアプリケーションでは、外付け直列抵抗と、BAV199L、FJH1100、SP720のようなローリーク・ダイオード・クランプを使う必要があります。
1 1kV―人体モデル。
AD8221
16 REV.A
2πR(2CD+CC)
1
2πRCC
1
FilterFreqDiff =
FilterFreqCM =
RF干渉強いRF信号が存在するアプリケーションでアンプが使われる場合には、RFの整流がしばしば問題になります。これらは外乱が小さいDCオフセット電圧として現れることがあります。高周波信号は、図49に示すように計装アンプの入力に接続されたローパスR-C回路で除去することができます。このフィルタは、次式に従って入力信号の帯域幅を制限します。
ここで、CD≧ 10CCです。
R
R
AD8221
+15V
+IN
–IN
0.1μF 10μF
10μF0.1μF
REF
VOUT
–15V
R1499Ω
CD
CC
CC
10nF
1nF
1nF
0314
9-0-
045
4.02kΩ
4.02kΩ
図49. RFIの除去
CDは差動信号に有効で、CCは同相信号に有効です。RとCCの値は、RFIを最小化するように選択する必要があります。正側入力のR×CCと負側入力のR×CCとの不一致は、AD8221のCMRRの性能を低下させます。CCの値より1桁大きいCDの値を使うと、不一致の影響は小さくなるので、性能が改善されます。
高精度ストレイン・ゲージAD8221は低いオフセットと広い周波数での高CMRRを備えているので、ブリッジ計測に最適です。図50に示すように、ブリッジをアンプ入力に直接接続することができます。
+5V
+2.5V
0314
9-0-
049
10μF 0.1μF
AD8221
+IN
–IN
R
350Ω
350Ω350Ω
350Ω
+
–
図50. 高精度ストレイン・ゲージ
AD8221
17REV.A
+12V
+IN
–IN
0.1μF10μF
0.1μF10μF
–12V
R3 1kΩ
+2.5V
R4 1kΩ
REFR5
499ΩR2
10kΩ
R110kΩ
C1470pF
+12V
0.1μF
0.1μF
–12V
+12V
+5V +5V0.1μF
10nF
0.1μF–12V
+12V
0.1μF
0.1μF
–12V
R6 27.4Ω
R7 27.4Ω
C2220μF
10μF 0.1μF 22μF
+5V2.5V
220nF 10nF
AD8221
AD8022
OP27
AD8022
AD7723
VIN+
AVDD
AGND VGND REF1 REF2
DVDD
VIN–
AD780
GND
VIN VOUT
0314
9-0-
047
( )
( )
図51. 差動入力ADCのインターフェース
1/2
1/2
+5V差動入力ADCに対する±10V信号のコンデショニング±10V信号のコンデショニングは多くのアプリケーションで必要とされていますが、現在の多くのADCとデジタルICははるかに低い単電源で動作します。さらに、新しいADCは優れた同相除去比、ノイズ耐性、低電圧電源での性能を提供する差動入力を持っています。±10Vのシングルエンド計装アンプを+5Vの差動ADCにインターフェースさせることは、難しい場合があります。計装アンプとADCのインターフェースでは、減衰器とレベル・シフトが必要です。図51に、1つのソリューションを示します。
この回路では、OP27がAD8221のリファレンス電圧を設定しています。計装アンプの出力信号は、OUTピンとREFピンから取り出されます。2個の1kΩ抵抗と1個の499Ωの抵抗が±10V信号を+4Vに減衰させます。オプションのコンデンサC1は折り返し防止フィルタとして機能することができます。AD8022はADCの駆動に使います。
この回路は5つの利点を持っています。レベル・シフトと減衰に加え、非常に小さいノイズがシステムで発生しています。R1とR2で発生するノイズはADCの両入力に共通で、簡単に除去できます。R5は主たるノイズの1/3を加えるだけなので、システム・ノイズへの影響は無視できます。減衰器は、R3とR4で発生するノイズを分割します。同様に、このノイズの影響は無視できます。このインターフェース回路の4つ目の利点は、AD8221のアクイジション時間が1/2に減少することです。OP27の助けを借りて、AD8221は最大振幅の1/2を供給するだけで済むので、信号の安定が速くなります。最後に、ADCがデータを取り込む際に、セトリング時間が短いほど処理できるビット数が多くなるので、AD8022が速く安定することは有益です。この構成は、差動入力ADCに対して減衰、レベル・シフト、便利なインターフェースを提供すると同時に、性能も維持します。
AC結合の計装アンプアンプのノイズまたはオフセットに含まれる小信号を測定するのは難しい問題です。図52に、小さいAC信号の分解能を改善する回路を示します。ゲインを大きくすると、アンプの入力ノイズを8nV/√Hzまで小さくすることができます。これによってノイズ・フロアが下がるので、小さい信号を測定できるようになります。100倍に増幅されるはずのDCオフセットは、積分帰還回路によりAD8221の出力から除去されます。
低周波数では、OP1177がAD8221の出力を0Vにします。信号がfHIGH-PASSを超えると、AD8221は入力信号を増幅して出力します。
AD8221
OP1177
R15.8kΩ
+VS
+IN
–IN
0.1μF
0.1μF
0.1μF
0.1μF
10μF10μF
REFC 1μF
–VS
–VS+VS
+VS
–VS
R499Ω
12πRC
fHIGH-PASS =
0314
9-0-
048
図52. AC結合回路
AD8221
18 REV.A
0.800.600.40
8˚0˚
4
8 5
4.90BSC
ピン10.65 BSC
3.00BSC
実装面
0.150.00
0.380.22
1.10 MAX
3.00BSC
平坦性0.10
0.230.08
JEDEC規格MO-187AAに準拠
JEDEC規格MS-012AAに準拠
0.25 (0.0098)0.17 (0.0067)
1.27 (0.0500)0.40 (0.0157)
0.50 (0.0196)0.25 (0.0099)
×45˚
8˚0˚
1.75 (0.0688)1.35 (0.0532)
実装面
0.25 (0.0098)0.10 (0.0040)
41
8 5
5.00 (0.1968)4.80 (0.1890)
4.00 (0.1574)3.80 (0.1497)
1.27 (0.0500)BSC
6.20 (0.2440)5.80 (0.2284)
0.51 (0.0201)0.31 (0.0122)平坦性
0.10
図53. 8ピン・ミニSOP[MSOP](RM-8)
寸法単位:mm
図54. 8ピン・シュリンクSOP[SOIC] (R-8)
寸法管理はミリメータ。カッコ内のインチ寸法はミリメータを丸め処理した参考用であり、設計での使用には適しません。
外形寸法
製品モデル 仕様性能の 動作温度範囲1 パッケージ パッケージ・ ブランド
温度範囲 オプション
AD8221AR -40~+85℃ -40~+125℃ 8ピンSOIC R-8
AD8221AR-REEL -40~+85℃ -40~+125℃ 13インチのテープおよびリール R-8
AD8221AR-REEL7 -40~+85℃ -40~+125℃ 7インチのテープおよびリール R-8
AD8221ARM -40~+85℃ -40~+125℃ 8ピンMSOP RM-8 JLA
AD8221ARM-REEL -40~+85℃ -40~+125℃ 13インチのテープおよびリール RM-8 JLA
AD8221ARM-REEL7 -40~+85℃ -40~+125℃ 7インチのテープおよびリール RM-8 JLA
AD8221BR -40~+85℃ -40~+125℃ 8ピンSOIC R-8
AD8221BR-REEL -40~+85℃ -40~+125℃ 13インチのテープおよびリール R-8
AD8221BR-REEL7 -40~+85℃ -40~+125℃ 7インチのテープおよびリール R-8
AD8221-EVAL 評価ボード
オーダー・ガイド
1 85~125℃での期待動作については「代表的な性能曲線」を参照してください。
AD8221
19REV.A
NOTES
REV.A
TDS07/2004/PDF
C03149-0-11/03(A)-J