高精度数据采集放大器AD522及其应用

高精度数据采集放大器AD522及其应用
摘要：AD522是AD公司推出的高精度数据采集放大器，利用它可在恶劣工作环境下获得高精度数据。

文中介绍了其主要特点，给出了AD522的典型应用电路，并对AD522在特殊应用情况下漂移、增益、共模拟制比的调整方法作了说明，最后还指出了AD522的误差形成原理及调整方法。

关键词：数据采集放大器共模抑制比漂移 AD522
1 概述
AD522集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。

它线性好，并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点，适用于大多数12位数据采集系统。

AD522通常用于电阻传感器（电热调节器、应变仪等）构成的桥式传感器放大器以及过程控制、仪器仪表、信息处理和医疗仪器等方面。

AD522具有如下特性：
●低漂移：2.0μV/℃(AD522B)；
●非线性低：0.005%（G=100）；
●高共模抑制比：>110dB(G=1000)；
●低噪声：1.5μVp-p(0.1～100Hz)；
●单电阻可编程增益：1≤G≤1000；
●具有输出参考端及远程补偿端；
●可进行内部补偿；
●除增益电阻外，不需其它外围器件；
●可调整偏移、增益和共模抑制比。

AD511采用14脚DIP封装，其结构外形和常用的AD521相似。

图1给出了AD522的引脚排列。

表1是各引脚的功能说明。

表1 引脚功能说明
引脚名称功能
1 +INPUT 正输入端
2 R GAIN 增益被偿端
3 -INPUT 输入端
4 NULL空端
5 V- 负电源端
6 NULL 空端
7 OUTPUT输出端
8 V+ 正电源端
9 GND 地参考端
10 NC 不接
11 REF 参考端
12 SENSE 补偿端
13 DATA GUARD 数据保护端
14 R GAIN 增益补偿端
2 AD522的主要特性
AD522可以提供高精度的信号调理，它的输出失调电压漂移小于1V/℃，输入失调电压漂移低于
2.0μV/℃,共模抑制比高于80dB(在G=1000时为110dB)，G=1时的最大非线性增益为0.001%，典型输入阻抗为10 9Ω。

AD522使用了自动激光调整的薄膜电阻，因而公差小、损耗低、体积小、性能可靠。

同时，AD522还具有单片电路和标准组件放大器的最好特性，是一种高性价比的放大器。

为适应不同的精确度要求和工作温度范围，AD522提供有三种级别。

其中“A”和“B”为工业级，可用于-25～+85℃。

“S”为军事级，用于-55～+125℃。

AD522可以提供四种漂移选择。

输出失调电压的最大漂移随着增益的增加而增加。

失调电流漂移所引起的电压误差等于失调电流漂移和不对称源电阻的乘积。

另外，AD522的非线性增益将随关闭环增益的降低而增加。

AD522放大器的共模抑制比的测量环境条件为±10V,使用阻值为1kΩ的不对称电阻。

在低增益情况下，共模抑制比主要取决于薄膜电阻的稳定性，但由于增益带宽的影响，AD522在60Hz以下频率时相对比较恒定。

但在有限的带宽中，AD522的相移将随着直流共模抑制比的升高而增加。

在动态性能方面，AD522的稳定时间、单位增益带宽和增益成正比。

3 应用
3.1 典型应用
图2是AD522应用于桥型放大电路时的典型电路图。

该电路可在低电压、高阻抗、大噪声的环境中获得最佳性能。

当然，这需要正确的屏蔽和接地。

在图2电路中，信号地和AD522直接连接，从而形成了输入放大器的偏置电流回路。

用户在设计时，可以像图2所给电路那样直接连接，也可以通过小于1MΩ的电阻间接连接。

为了降低噪音，输入管脚和增益电阻应被屏蔽。

利用自举电路可实现无源数据的保护以改善交流共模抑制比。

这种方法可减小差分相移，同时也可抑制系统带宽下降。

利用图2这种平衡设计不需使用外部旁路电容就可以获得较理想的性能。

但如果信号源被置于远处（10英尺或更远）或者携带超过几千毫伏的噪声时，就需要使用旁路电容来获得更好的性能。

参考端和补偿端可以对远距离负载进行补偿，也可用于调整共模抑制比、增加输出电路自举和调整输出漂移。

使用时，RG应尽量靠近AD522，过长的导线会增加寄生电容而产生相移，从而导致高频部分的共模抑制比降低。

当频率低于10Hz时，接在远处的RG不会引起稳定性问题。

在G=1时，RG引间的200MΩ漏电阻抗会引起0.1%的增益误差。

3.2 特殊应用
在调整漂移和增益时，由RG来决定增益精度。

RG建议使用温度系数为10ppm/℃的精密电阻。

漂移和增益是由激光调整的，因而能适合大多数应用情况。

如果需要进一步调整，可通过一电位器来进行调节，但是必须使用高质量（25ppm）的电位器以保证电压漂移特性。

共模抑制比的调整可按图3所示电路来进行。

利用该电路可以在低增益下将一个很小的共模抑制比增高到10dB。

输入低频率的峰峰值为20V的信号需经过两个等效源电阻Rs，调整图3中的电位器可使放大器的交流输出为零。

补偿输出可以通过远距离负载补偿或输出电流自举来实现。

使用图4电路可在闭环时使自举漂移误差降。

不用时，补偿输出端应接输出端。

3.3 误差调整
AD522所提供的0～1V输出电压无静差变频器是一个1kΩ的不平衡源。

AD522B的工作温度范围在0～50℃时精度较高。

表2列出了误差源及共对系统精度的影响。

表2 误差源对系统精度的影响
误差源说明绝对精度影响%F.S 绝对影响%F.S 非线性增益0.002%max,G=10 ±0.002±0.002
电压漂移 4.5μV/℃R.T.I=0.00055%/℃±0.011——
共模抑制比86dB ±0.005±0.005
噪声15μV(p-p)R.T.O ±0.0015±0.0015
失调电流漂移
±50pA/℃1k源电阻
=±50pV/℃=±1.25VR.T.I
±0.000125——
增益漂移（包括由RG的影
响10ppm/℃)
60ppm/℃±0.15——当对绝对精度的影响不超过±0.2%时，允许使用8位校准操作。

在计算机或微处理器控制的数据采样系统中，自动再调整操作可使增益和失调漂移产生的噪声值为零。

此时，失真和共模抑制比是仅有的误差源。

在这种情况下，使用12位操作可达到预期目的。

下面对AD522的三种常见误差进行说明：
（1）增益误差
通过调整RG可使绝对增益误差为0。

在超出工作温度范围时，内部电阻的变化会引起增益漂移。

但由于增益漂移的影响是线性的，因而不会降低分辨率。

一个“智能”系统在自动循环校正过程中一般可以对这些误差进行较正。

在G=10时，AD522的非线性增益不会超过0.002%。

（2）失调漂移和引线电流误差
AD522的输入部分采取了专门的措施来降低失调漂移。

当传感器不平衡阻抗小于2kΩ时，失调电流漂移引起的误差远小于失调电压漂移引起的误差，因而可以忽略。

在大多数应用中，虽然补始补偿电压是由激光置零的，但在进一步校正初始系统偏置电压时仍需要采取其它措施。

在以上例子中，总补偿偏置漂移只有±0.014%，因此不会影响分辨率（可由自动循环校正调整实现）。

（3）共模抑制比和噪声误差
因为共模抑制比和系统的噪声引起的误差不能校正，所以对共模抑制比和系统的噪声特性必须有严格的要求。

AD522的共模电阻是通过自动激光调整的薄膜电阻，其稳定性很好。

但是，有必要进行有规律的再校准以保持性能。

在一般情况下，未经过调整的共模抑制比和噪声引起的误差占整个增益的±0.0065%，因此这也是分辨误差的主要原因之一。