仪表放大器这东西做传感器采集的朋友迟早会遇上。我最近在调一套称重信号调理电路手边同时压着AD620和AD623的样片规格书翻来覆去看了好几遍觉得参数都懂可真在测试板上对比下来发现这俩兄弟的脾气差别远比纸面上写的要大。单电源供电、高精度、低功耗这些需求到底该押在谁身上一句话说不清楚。这篇文章我不打算把数据手册重新抄一遍而是从实际选型的角度把两个芯片的核心差异翻译成人话再结合我在工作台上做的一组实测对比说说它们在单电源供电场景里各自能干什么、不能干什么。无论是学生做课设、电子爱好者做传感器模块还是工程师定产品方案这篇文章都能提供一个比“看datasheet”更直接的参考。1. 两颗芯片究竟什么来头1.1 同为三运放结构却走了两条路线AD620和AD623都是ADI出的经典仪表放大器电路结构都是教科书里的三运放拓扑第一级由两个运放组成对称输入级负责把差分信号放大同时提供极高的输入阻抗第二级是一个差分转单端放大器把双端信号转成对地参考的单端输出。这个结构的核心优势就是能把共模干扰先压下去再把有用的差模信号放出来。AD620是这家族里的老前辈1988年前后出生主打精密测量。它支持单电源4.6V到36V也可以双电源±2.3V到±18V供电失调电压典型值只有30µV输入偏置电流最大才2nA噪声密度在G100时能做到9nV/√Hz。这一串数字在仪表放大器里属于“正经测量仪器”级别的底气。AD623则是后来面向单电源便携应用设计的款最低3V就能启动单电源上限12V双电源±1.5V到±6V。它的最大卖点是输出级能基本摆到轨到轨在3.3V或者5V系统里不用额外抬高供电轨就能让输出信号填满ADC的动态范围静态电流也比AD620省了差不多一半。代价是偏置电流、噪声和失调精度都比AD620差了一截。1.2 为什么传感器信号非得用仪表放大器很多新手会问普通运放搭个差分放大电路不也能放大传感器信号吗能但效果差远了。普通运放差分电路需要外部电阻精确配对哪怕电阻误差0.1%共模抑制比也很难超过80dB而且输入阻抗往往被外部电阻网络拉低遇到高输出阻抗的传感器比如应变片电桥、pH电极、热电偶信号本身还没放大就先被衰减了。仪表放大器把输入缓冲、增益设定和高精度电阻匹配全部封装在芯片内部用户只需要用一个外部电阻设定增益。拿AD620来说增益公式是G 49.4kΩ/RG 1AD623则是G 100kΩ/RG 1。输入阻抗稳定在GΩ级别共模抑制比在G10以上可以轻松突破100dB。这种“插上增益电阻就能用”的体验在快速验证传感器方案时特别舒服。2. 数据手册之外的对比关键参数与真实意义2.1 先看一张硬碰硬的参数表我先把两个芯片最影响选型的关键参数放在一张表里后面逐条解释它在真实电路里意味着什么。参数AD620AD623影响什么单电源范围4.6V36V3V12VAD623更适合低压电池系统双电源范围±2.3V±18V±1.5V±6VAD620能用于±15V工业系统静态电流典型1.0mA最大1.3mA典型375µA最大575µA电池设备的续航差异明显增益电阻系数49.4kΩ100kΩ同样的RG两芯片增益不同输入失调电压最大50µVB级最大200µVAD620在µV级信号上更可靠输入偏置电流最大2nA最大25nA高阻源场景AD620明显占优电压噪声密度(G100)约9nV/√Hz约35nV/√HzAD620的低噪优势领先一个数量级输出摆幅(5V单电源)约1.0V3.9V约0.1V4.9VAD623能更好利用低压ADC量程G100时带宽约120kHz约10kHz快速变化信号选AD620注意磁畴表里的“噪声密度”一项单位是nV每根号赫兹如果只看数字可能没概念换算成实际体验就是同样放大100倍、同样100Hz带宽下AD623输出端的噪声比AD620粗好几倍在示波器上肉眼可见。2.2 电源电压与输出摆幅看似都能用实际差别很大AD620和AD623的供电范围有重叠区间很多朋友一看“都能在5V下工作”就直接拿AD620做了单电源电路。这个操作不能说错但AD620在低电压单电源下的输出摆幅是它最大的软肋。AD620的输出级不是轨到轨结构数据手册里标注在±5V供电、10kΩ负载下输出只能摆到约±3.8V。换算到5V单电源意味着输出高电平最多到3.9V左右低电平最低大概到1.0V左右。如果你的ADC参考电压是5V那么AD620的实际可用输出范围大概只有2.9V一半多的ADC量程都被浪费掉信号分辨率直接打了折扣。AD623完全是为这种场景优化的。它在5V单电源下输出能摆到约0.1V到4.9V动态范围接近满量程。这就是“轨到轨输出”的价值同样的5V系统AD623可以给你接近5V的摆幅对于3.3V单片机系统尤其珍贵。很多人在AD620的低压表现上踩坑不是芯片坏了就是供电和负载搭配不合理。2.3 静态电流电池设备必须抠的细节AD620的静态电流最大1.3mAAD623最大575µA。选型做产品时这两个数字的差距会被电池容量放大。比如一节200mAh的纽扣电池假设系统其他部分耗电占大头可能无所谓但如果整个模拟前端就靠这个小功耗AD623的静态功耗优势意味着续航几乎翻倍。我见过不少低功耗传感器节点就是用AD623配一颗3V纽扣电池信号调理加MCU采集整体平均电流可以压到几百微安级别。AD620当然也可以低功耗运用但它的静态电流多出的那0.7mA在电池供电产品里是实打实要计入续航预算的。反过来如果设备插着USB或者适配器不抠电池那这点电流差异就不必纠结。2.4 输入偏置电流与噪声精密测量的隐形门槛AD620的输入偏置电流最大2nAAD623最大25nA。这个参数在大多数低阻抗源比如运放缓冲输出、几十欧的信号源面前几乎可以忽略。但一旦传感器源阻抗比较高比如高阻电桥、光电二极管跨阻输出、pH电极这类兆欧级源偏置电流流过源阻抗就会产生额外的直流压降折算成输入失调直接吃掉精度。举个例子一个100kΩ源阻抗的传感器AD623的25nA偏置电流会产生2.5mV压降而AD620的2nA电流只产生0.2mV整整差了一个数量级。对于增益100倍的系统前者输出端会多出250mV的固定偏差这对精密测量来说是很讨厌的事情。噪声方面两者差距更明显。AD620在增益≥100时等效输入噪声密度约9nV/√HzAD623大约要35nV/√Hz。同样是放大100倍、带宽1kHz理想情况下AD620的输出噪声折合输入大约0.36µVrmsAD623则要1.4µVrmsAD620的分辨率优势非常清楚。测量1mV以下微弱信号这个差距直接决定了系统分辨率。2.5 增益电阻计算公式顺手就踩进去的坑两个芯片的增益引脚都是1脚和8脚但计算公式里的系数不一样AD620用49.4kΩAD623用100kΩ。很多人做完AD620的板子换AD623的时候想当然用了同一个电阻结果实际增益比预期大了一倍多。具体算一下想要G100AD620需要RG 49.4k/(100-1) ≈ 499Ω市面上有499Ω的1%电阻直接用即可。AD623需要RG 100k/(100-1) ≈ 1010.1Ω标准阻值里没有精确的1.01kΩ很多人随手拿1kΩ电阻算出来的实际增益是100k/1k 1 101倍误差1%在要求不高的场合可能感觉不出来但在需要0.1%增益精度的称重系统里就不合格了。更稳妥的方法是优先用0.1%精度、低温度系数的电阻必要时用两个精密电阻串并联拼出目标值。高增益应用里增益电阻的温漂会直接叠加到系统的温漂上别省这个钱。3. 实机测试同一块测试板上的真实对比3.1 测试环境与接线方法我在手头没做专门的高端测试台就用了自己画的SOP8转DIP小板、5V的LM1117稳压电源、一个双通道DDS信号发生器和一个100MHz示波器。我没有刻意追求实验室级精度但所有对比都在同一块板子、同一个供电条件、同一套输入源下完成这样两个芯片的差异就是芯片本身造成的测试环境引起的系统误差能忽略就忽略。具体接线逻辑如下供电5V单电源电源引脚并了一个0.1µF陶瓷电容和10µF钽电容去耦。增益设定给两片芯片分别配目标G10和G100的电阻用0.1%精度金属膜电阻。差分信号源用信号发生器的两个通道一个输出正相、一个输出反相正弦波接到芯片的IN和IN-。REF引脚用REF3025做2.5V基准经过一个AD8605缓冲器后接到REF引脚这样可以保证参考源的低输出阻抗。负载输出端接10kΩ对地电阻。测试内容分成五块增益精度、输出摆幅、失调电压、输出噪声、共模抑制比。我把每一组实测数据都记录下来下面逐项讲。3.2 增益精度测量我先测增益。给AD620设定G100用精密万用表测量499Ω电阻的实际阻值实测498.7Ω理论增益约100.06倍。输入差分信号设为10mV、100Hz正弦示波器DC挡读取输出波形幅度读数约1.002V折合增益100.2倍和理论值吻合。轮到AD623用1.01kΩ的精密电阻实测1.009kΩ理论增益为100k/1.009k1 ≈ 100.1倍。同样输入10mV、100Hz正弦实测输出幅度约1.018V增益约101.8倍。比理论值高了一点我量了一下电阻的温度漂移发现电阻在通电后热到40℃左右阻值下降了约几欧导致增益向高了跑。这提醒我一个问题如果系统对增益稳定性要求高增益电阻不能只看常温精度还要看温漂系数甚至需要考虑芯片自身在通电后的自热效应。进一步测G10时两个芯片都表现不错增益误差都在1%以内这符合两者在中等增益下应有的表现。G1时两片芯片直接把输入信号传到输出增益都接近1倍没有明显问题。3.3 输出摆幅实测输出摆幅是AD623的主场。5V供电REF设在2.5VG10我把输入差分信号的幅度逐渐调大直到输出开始出现削顶失真。AD623的输出高电平削顶发生在约4.92V低电平削底发生在约0.08V基本贴近电源轨负载10kΩ下轨到轨输出名副其实。同一块板子换上AD620测试条件不变结果就明显不同。输出高电平到了约3.95V就再也上不去了低电平到约1.02V就有削底。这意味着AD620在这个配置下只能产生大约2.9V峰峰值的干净摆幅比AD623少了近2V。如果你的ADC量程是05V那AD623能输出的信号范围几乎是AD620的1.7倍分辨率提升非常可观。所以要是你的系统里电源是3.3V或者5V输出需要直接进ADC那AD623就是明显的优选。AD620这种非轨到轨输出芯片更适合双电源供电或者供电电压较高的工业系统。3.4 失调与噪声实测把两个输入引脚都接到2.5V相当于输入差分电压为0VG100时理想输出应该是2.5V。实测结果AD620输出2.482V折算到输入端约-0.18mV失调AD623输出2.447V折算到输入端约-0.53mV失调。AD620的实测失调比AD623小很多这和数据手册标注的趋势完全一致。需要说明这个值包含了测试板的热电势、电阻热噪声等系统误差但同一环境下横向比较还是能说明问题。噪声测试更有意思。同样G100、2.5V静态输入示波器AC耦合、带宽限制到20MHz观察输出电压噪声。AD620的输出噪声峰值大约在1mV以内波形细密AD623的输出噪声明显更粗峰值大约到3mV上下。这种差距在0.1Hz到10Hz的频段里不算大一旦打开带宽到几百赫兹甚至1kHzAD623的噪声劣势就肉眼可见。对微伏级信号测量AD620的低噪声特性是硬实力AD623应付0.5mV以上的信号问题不大但再往下就吃力了。3.5 共模抑制比快速验证我做一个粗糙的共模抑制比验证把IN和IN-短接在一起从这个公共端输入一个1V、100Hz的正弦信号也就是让芯片看到的完全是共模信号。如果CMRR无穷大输出应该完全不动。实测AD620在G100下输出端的残余信号大约1.2mV折算共模抑制约20×log(1V/1.2mV) ≈ 58dB不对应该折算到输入输出1.2mVG100等效输入12µVCMRR 20×log(1V/12µV) ≈ 98dB。AD623在相同测试下输出残余大约3.5mV等效输入35µVCMRR约89dB。数据不算极限漂亮但反映了中等增益下两款芯片都有不错的共模抑制能力AD620更胜一筹。这个测试在普通工作台上精度有限实际芯片的CMRR通常比这更好但做横向比较足够了。4. 我总结的选型决策思路4.1 从需求倒推五步走每次选型我都会按下面五个步骤过一遍基本不会选错第一步看供电。系统是5V以下电池供电尤其只有3.3V甚至3V优先AD623系统是±12V、±15V工业电源或者供电电压会超过12VAD620更合适。第二步看精度。输入信号是mV级甚至µV级的传感器信号比如应变片、称重传感器、热电偶AD620的低失调、低偏置、低噪声优势能让你少掉很多头发。AD623更适合信号已经在几百mV级别、不需要极限分辨率的场合。第三步看功耗。电池供电、需要低功耗待机的设备AD623静态电流只有AD620的一半多一点优势明显。如果设备插着电源运行这个指标基本可以忽略。第四步看输出接口。输出直接接MCU内部ADC而且是单电源供电AD623的轨到轨输出能让你用满ADC量程。AD620在这种情况下输出摆幅受限既然已经选了AD620就得考虑提高供电电压或加一级输出调理电路。第五步看源阻抗。传感器是高阻抗源比如阻抗达到几十千欧以上AD620的2nA偏置电流比AD623的25nA可靠得多。低阻抗源比如运放缓冲后的信号两者差别就小。4.2 典型场景推荐我在几个实际项目里的选择可以给大家做个参考应用场景推荐芯片理由便携式应变片称重模块5V/3.3V供电ADC直读AD623轨到轨输出充分利用ADC量程功耗低工业电桥/压力变送器±15V供电需要长期稳定AD620高电压能力低失调低噪声精度可靠电池供电的体温/微弱直流信号采集AD620低失调和低噪声保证微小信号不漏测低成本电池供电的传感器信号缓冲信号≥10mVAD623够用的精度和更省的功耗成本更低需要较高带宽的振动/音频信号采集AD620G100时带宽约120kHz远高于AD623的10kHz如果项目还在验证阶段我的建议更实际要么先盘一下手上的库存要么两个芯片都焊一个兼容焊盘上去反正两者管脚兼容不用改PCB就能切换方案这是ADI给的最实在的便利。4.3 PCB设计让两种芯片可以互相替换前面说过AD620和AD623都是标准的8脚封装1脚和8脚是增益电阻引脚2脚和3脚是输入5脚是REF6脚输出4脚负电源7脚正电源。这种管脚兼容特性在实际做板时特别好用。我画测试板的时候就特意把焊盘设计成兼容两种芯片的走线电源、输入、输出、REF都按照同样网络连接。这样一来调试时可以随时把两颗芯片互换而不是改一版板子。要注意的是如果按照满规格供电去设计要兼顾AD623的12V单电源上限和AD620的更高供电能力最好在电源输入端留一个跳线或者稳压器这样不管用哪颗芯片都能调到合适的工作电压。5. 常见问题与避坑实录5.1 单电源供电的典型坑先把最重要的问题说透AD620和AD623都支持单电源供电但“支持”和“在单电源下好用”是两回事。AD623设计目标之一就是低压单电源系统输出级做了轨到轨优化所以3V到5V供电非常顺手。AD620在单电源下最高能到36V但输出摆幅受限低压下尤其明显。我刚才实测的5V单电源条件下AD620的输出上轨约3.95V下轨约1.02V这种摆幅如果想给5V ADC提供满幅信号根本不够。一个折中方案是把AD620的供电电压抬到7V以上把REF设定在2.5V这样输出摆幅能扩大到约2.3V到5.2V部分解决了动态范围问题。但这样做会引入额外的供电轨而且AD620的共模输入范围在低压下也可能被压缩需要仔细核对数据手册里的共模范围曲线。另一个常见问题是REF引脚。单电源下REF不能悬空也不能用高阻抗分压器直接驱动。REF引脚要求低阻抗源否则输出基准会漂移CMRR也会恶化。我习惯用精密基准芯片加运放缓冲器来驱动REF如果是3.3V系统可以直接用2.5V基准5V系统可以用4.096V基准这样输出端就有对应的基准电压。5.2 增益电阻选择与带宽权衡很多人只关心增益电阻的精度忽略了带宽问题。仪表放大器的增益带宽积是固定的增益调得越高可用带宽越窄。AD620在G100时的带宽约120kHzAD623在G100时只有约10kHz。如果你的应用信号频率有个几kHzAD623勉强能应对要是信号里包含了更高频的成分就要考虑降增益、改用AD620或者换更高带宽的仪表放大器比如AD8421、INA128这类。增益电阻的位置也有讲究。RG引脚是高阻抗节点电阻应该尽量紧贴芯片的1脚和8脚走线不要太长否则寄生电容会让频率响应变得不理想。对于G1000这种高增益应用直接用贴片电阻可以在一定程度上减少杂散电容比插件电阻整整齐齐但引线长一圈要可靠。5.3 REF引脚的正确用法这个问题值得单独拿出来讲。REF引脚设置的是输出信号的零点位置在单电源系统中尤其重要。比如你测的是交流小信号希望在5V供电下让输出围绕2.5V摆动就需要把REF精确设定在2.5V这样输出才不会在负半周削底。REF引脚不能直接从电阻分压器接出来因为分压器的等效输出阻抗可能高达几十千欧REF端的输入电流变化会导致基准漂移。正确做法是用一个低阻抗缓冲运放我的做法是分压后加一级AD8605等精密运放缓冲或者在要求不高的场合从基准芯片的输出直接接过来比如用REF3025这类带输出能力的基准。挑REF驱动器的时候注意它自身的噪声和温漂避免把新的误差源引进来。5.4 采购与替代注意事项采购方面有个细节要警惕市面上存在一些价格异常便宜的AD623或者AD620很多是二手拆机片或者翻新片。这类芯片上电可能也能工作但参数一致性差增益误差、失调、噪声可能比原厂数据差很多。我在测试板上对比过一批拆机AD623同样G100条件下有的芯片输出失调达到正负1mV以上根本没法用于精密测量。做产品就老老实实从正规渠道买做实验可以用拆机片但出了问题先怀疑芯片来源。如果要找替代型号TI的INA128、INA129ADI自家的AD8221、AD8421都是不错的精密仪表放大器低压单电源场景还可以考虑INA333、AD8237这类零漂移仪表放大器。不过替代不只是看参数还要核对管脚兼容性INA128的管脚和AD620几乎一致1/8脚RG5脚REF但增益系数是G 50kΩ/RG 1和AD620的49.4kΩ略有不同高精度系统里需要重新算电阻。写在最后的个人体会这两个芯片我在不同项目里都用了不少次真要说“哪个更好”从来都取决于你的电源、信号源阻抗和精度目标。AD620像一把精密的卡尺量程大、读数准但个子大功耗高AD623更像一个便携的电子秤轻巧省电、接口友好但对微小信号的挑剔程度不如老前辈。我个人习惯是做3.3V或5V低压便携设备优先用AD623做±12V以上供电或者信号小到还要再琢磨一下底噪的项目直接上AD620。如果把REF的驱动处理好再配一颗0.1%的精密增益电阻两颗芯片都能稳定工作很久。最后分享一个我踩坑后养成的习惯每次换芯片前先看一眼引脚功能图别让经验代替手册毕竟这种管脚兼容的芯片改一个电阻阻值就能改变整套增益逻辑粗心一次就是一晚上的调试时间。