放大：使用仪表放大器进行设计

仪表放大器

您可能听说过仪表放大器（INA），但您可能不知道满足您特定需求的最佳架构。有两种常见的方法，因此请继续阅读以快速确定应使用哪一种。

INA可以在存在大共模的情况下准确提取小信号，使其成为传感器放大的理想选择。INA有两个输入 - 反相和同相 - 并用于放大每个输入不同的信号（高差分增益）和抑制两者共有的信号（高共模抑制）。图1显示了INA在重量、温度、压力和其他应用中的使用方式。

在每个应用中，INA都会放大来自传感器的小输出电压信号。然后使用模数转换器（ADC）将信号转换为数字形式，然后输入到微控制器单元（MCU）进行处理。

三放大器配置和间接电流反馈是最常见的INA架构。这篇文章描述了与每种类型相关的系统级权衡。

三放大器配置

如图2所示，这种INA设计使用封装在单个集成电路中的三个相同运算放大器（op amp）实例。

输入级使用两个配置为反相缓冲器的运算放大器。内部电阻器紧密匹配，其容差只有通过调整电阻器半导体工艺才能实现，以提供非常高的共模抑制比（CMRR）。它们还提供高阻抗，以最大限度地减少传感器输出的负载。可以选择增益设置电阻（RG）来选择器件工作区域内的增益值（通常为1至1，000）。

输出级是传统的差动放大器配置。内部电阻的比值R2/R 1设置了内部差动放大器的增益，对于大多数INA，该增益通常为1。从输入到输出的平衡信号路径提供了出色的CMRR。

这种三运放设计的一些优点是易于实现、占位面积小、元件使用较少，有助于降低整体系统成本。它还与单电源兼容（使用 VREF 引脚）。

但是，三运放配置也有局限性。虽然反馈架构在直流时提供高CMRR（通过片内电阻的紧密匹配），但反馈架构会大大降低交流CMRR。此外，由于寄生电容无法完全匹配，CMRR在较高频率下开始降低。共模电压输入范围也受到限制（以防止内部节点饱和）。VREF引脚还需要一个缓冲放大器来提供最佳性能。最后，外部和内部增益电阻的温度系数不匹配，这也会导致CMRR下降。三运放INA配置的增益由下式表示：

间接电流反馈

在这种设计中，间接电流反馈（ICF）INA使用了一种新颖的电压-电流转换方法（见下面的图3）。

ICF 包括两个匹配的跨导放大器：M1 和 GM2，以及一个高增益跨阻放大器 （A3）。该设计对电阻匹配不敏感，因此不需要内部调整电阻，从而降低了制造成本。

这种设计的另一个优点是外部电阻不需要匹配片内电阻。但是，RF和RG外部电阻的温度系数必须尽可能匹配，以最小化增益漂移。放大器GM1抑制共模信号，以在直流时提供高CMRR。与三运算放大器配置不同，交流CMRR不会随频率而显著降低。

使用ICF时，输出电压摆幅不耦合到输入共模电压，这意味着它的工作电压范围比三运放架构更宽。第二级（由GM2和A3组成）放大VFG和VREF上的差分输入，并提供额外的共模噪声抑制。通过向VREF引脚施加一个偏置电压，可以实现单电源操作。此设计的增益表示为：

设计中的三个运算放大器和ICF电路

这两种设计配置通常用于在嘈杂环境中放大低幅度传感器信号。选择使用哪一个取决于您的应用程序。

集成式三运放架构的一个优点是高直流CMRR。它还仅使用一个增益电阻器即可提供平衡的高阻抗输入。但是，它的共模输入电压范围有限。此外，难以匹配内部和外部电阻的温度系数，从而导致增益漂移。VREF引脚上的阻抗也会对CMRR产生负面影响，除非使用额外的缓冲放大器。

即使在高频下，ICF方法也能提供高CMRR。这种配置具有更宽的共模输入电压范围，不需要片内调整电阻。这降低了温度系数增益漂移，并降低了整体系统成本。

审核编辑：郭婷