放大：使用儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)

儀表放大器

您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)儀表放大器（INA），但您可能不知道滿(mǎn)足您特定需求的最佳架構(gòu)。有兩種常見(jiàn)的方法，因此請(qǐng)繼續(xù)閱讀以快速確定應(yīng)使用哪一種。

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

在每個(gè)應(yīng)用中，INA都會(huì)放大來(lái)自傳感器的小輸出電壓信號(hào)。然后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后輸入到微控制器單元（MCU）進(jìn)行處理。

三放大器配置和間接電流反饋是最常見(jiàn)的INA架構(gòu)。這篇文章描述了與每種類(lèi)型相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)權(quán)衡。

三放大器配置

如圖2所示，這種INA設(shè)計(jì)使用封裝在單個(gè)集成電路中的三個(gè)相同運(yùn)算放大器（op amp）實(shí)例。

輸入級(jí)使用兩個(gè)配置為反相緩沖器的運(yùn)算放大器。內(nèi)部電阻器緊密匹配，其容差只有通過(guò)調(diào)整電阻器半導(dǎo)體工藝才能實(shí)現(xiàn)，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(fù)載。可以選擇增益設(shè)置電阻（RG）來(lái)選擇器件工作區(qū)域內(nèi)的增益值（通常為1至1，000）。

輸出級(jí)是傳統(tǒng)的差動(dòng)放大器配置。內(nèi)部電阻的比值R2/R 1設(shè)置了內(nèi)部差動(dòng)放大器的增益，對(duì)于大多數(shù)INA，該增益通常為1。從輸入到輸出的平衡信號(hào)路徑提供了出色的CMRR。

這種三運(yùn)放設(shè)計(jì)的一些優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、占位面積小、元件使用較少，有助于降低整體系統(tǒng)成本。它還與單電源兼容（使用 VREF 引腳）。

但是，三運(yùn)放配置也有局限性。雖然反饋架構(gòu)在直流時(shí)提供高CMRR（通過(guò)片內(nèi)電阻的緊密匹配），但反饋架構(gòu)會(huì)大大降低交流CMRR。此外，由于寄生電容無(wú)法完全匹配，CMRR在較高頻率下開(kāi)始降低。共模電壓輸入范圍也受到限制（以防止內(nèi)部節(jié)點(diǎn)飽和）。VREF引腳還需要一個(gè)緩沖放大器來(lái)提供最佳性能。最后，外部和內(nèi)部增益電阻的溫度系數(shù)不匹配，這也會(huì)導(dǎo)致CMRR下降。三運(yùn)放INA配置的增益由下式表示：

間接電流反饋

在這種設(shè)計(jì)中，間接電流反饋（ICF）INA使用了一種新穎的電壓-電流轉(zhuǎn)換方法（見(jiàn)下面的圖3）。

ICF 包括兩個(gè)匹配的跨導(dǎo)放大器：M1 和 GM2，以及一個(gè)高增益跨阻放大器 （A3）。該設(shè)計(jì)對(duì)電阻匹配不敏感，因此不需要內(nèi)部調(diào)整電阻，從而降低了制造成本。

這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是外部電阻不需要匹配片內(nèi)電阻。但是，RF和RG外部電阻的溫度系數(shù)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(hào)，以在直流時(shí)提供高CMRR。與三運(yùn)算放大器配置不同，交流CMRR不會(huì)隨頻率而顯著降低。

使用ICF時(shí)，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(yùn)放架構(gòu)更寬。第二級(jí)（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(guò)向VREF引腳施加一個(gè)偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)單電源操作。此設(shè)計(jì)的增益表示為：

設(shè)計(jì)中的三個(gè)運(yùn)算放大器和ICF電路

這兩種設(shè)計(jì)配置通常用于在嘈雜環(huán)境中放大低幅度傳感器信號(hào)。選擇使用哪一個(gè)取決于您的應(yīng)用程序。

集成式三運(yùn)放架構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高直流CMRR。它還僅使用一個(gè)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(nèi)部和外部電阻的溫度系數(shù)，從而導(dǎo)致增益漂移。VREF引腳上的阻抗也會(huì)對(duì)CMRR產(chǎn)生負(fù)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(nèi)調(diào)整電阻。這降低了溫度系數(shù)增益漂移，并降低了整體系統(tǒng)成本。

審核編輯：郭婷