ad8221: 高精度計装アンプ - analog devices...スルーレート：2v/μs ロー・ノイズ...

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


出力電圧（V）


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）


出力電圧（V）


–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36.　小信号応答、G＝1、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

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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