儀表放大器

您可能聽說過儀表放大器（INA），但您可能不知道滿足您特定需求的最佳架構。有兩種常見的方法，因此請繼續閱讀以快速確定應使用哪一種。

INA可以在存在大共模的情況下準確提取小信號，使其成為傳感器放大的理想選擇。INA有兩個輸入 - 反相和同相 - 并用于放大每個輸入不同的信號（高差分增益）和抑制兩者共有的信號（高共模抑制）。圖1顯示了INA在重量、溫度、壓力和其他應用中的使用方式。

在每個應用中，INA都會放大來自傳感器的小輸出電壓信號。然后使用模數轉換器（ADC）將信號轉換為數字形式，然后輸入到微控制器單元（MCU）進行處理。

三放大器配置和間接電流反饋是最常見的INA架構。這篇文章描述了與每種類型相關的系統級權衡。

三放大器配置

如圖2所示，這種INA設計使用封裝在單個集成電路中的三個相同運算放大器（op amp）實例。

輸入級使用兩個配置為反相緩沖器的運算放大器。內部電阻器緊密匹配，其容差只有通過調整電阻器半導體工藝才能實現，以提供非常高的共模抑制比（CMRR）。它們還提供高阻抗，以最大限度地減少傳感器輸出的負載。可以選擇增益設置電阻（RG）來選擇器件工作區域內的增益值（通常為1至1，000）。

輸出級是傳統的差動放大器配置。內部電阻的比值R2/R 1設置了內部差動放大器的增益，對于大多數INA，該增益通常為1。從輸入到輸出的平衡信號路徑提供了出色的CMRR。

這種三運放設計的一些優點是易于實現、占位面積小、元件使用較少，有助于降低整體系統成本。它還與單電源兼容（使用 VREF 引腳）。

但是，三運放配置也有局限性。雖然反饋架構在直流時提供高CMRR（通過片內電阻的緊密匹配），但反饋架構會大大降低交流CMRR。此外，由于寄生電容無法完全匹配，CMRR在較高頻率下開始降低。共模電壓輸入范圍也受到限制（以防止內部節點飽和）。VREF引腳還需要一個緩沖放大器來提供最佳性能。最后，外部和內部增益電阻的溫度系數不匹配，這也會導致CMRR下降。三運放INA配置的增益由下式表示：

間接電流反饋

在這種設計中，間接電流反饋（ICF）INA使用了一種新穎的電壓-電流轉換方法（見下面的圖3）。

ICF 包括兩個匹配的跨導放大器：M1 和 GM2，以及一個高增益跨阻放大器 （A3）。該設計對電阻匹配不敏感，因此不需要內部調整電阻，從而降低了制造成本。

這種設計的另一個優點是外部電阻不需要匹配片內電阻。但是，RF和RG外部電阻的溫度系數必須盡可能匹配，以最小化增益漂移。放大器GM1抑制共模信號，以在直流時提供高CMRR。與三運算放大器配置不同，交流CMRR不會隨頻率而顯著降低。

使用ICF時，輸出電壓擺幅不耦合到輸入共模電壓，這意味著它的工作電壓范圍比三運放架構更寬。第二級（由GM2和A3組成）放大VFG和VREF上的差分輸入，并提供額外的共模噪聲抑制。通過向VREF引腳施加一個偏置電壓，可以實現單電源操作。此設計的增益表示為：

設計中的三個運算放大器和ICF電路

這兩種設計配置通常用于在嘈雜環境中放大低幅度傳感器信號。選擇使用哪一個取決于您的應用程序。

集成式三運放架構的一個優點是高直流CMRR。它還僅使用一個增益電阻器即可提供平衡的高阻抗輸入。但是，它的共模輸入電壓范圍有限。此外，難以匹配內部和外部電阻的溫度系數，從而導致增益漂移。VREF引腳上的阻抗也會對CMRR產生負面影響，除非使用額外的緩沖放大器。

即使在高頻下，ICF方法也能提供高CMRR。這種配置具有更寬的共模輸入電壓范圍，不需要片內調整電阻。這降低了溫度系數增益漂移，并降低了整體系統成本。

審核編輯：郭婷