分立式儀表放大器與集成儀表放大器的區(qū)別

BY PETER SEMIG， JACOB NOGAJ AND JERRY MADALVANOS

本文旨在比較三種單電源IA電路：采用四通道運(yùn)算放大器（op amp）的分立式IA、采用集成增益設(shè)置電阻的通用IA（RG） 和集成基準(zhǔn)電壓緩沖器，以及帶外部 R 的精密 IAG和外部基準(zhǔn)電壓緩沖器。

單電源電路

1. 離散 IA

圖1是采用四通道運(yùn)算放大器電路的分立式單電源IA的簡(jiǎn)化原理圖。該電路的通道A、B和C作為傳統(tǒng)的三運(yùn)放IA連接。基準(zhǔn)電壓（V裁判） 源自基于 R 值的電阻分壓器電路D1和 RD2.四通道運(yùn)算放大器的通道D用作基準(zhǔn)電壓緩沖器，這是必需的，因?yàn)榫彌_器的閉環(huán)輸出為低阻抗，可保持輸出級(jí)DA的電阻比例平衡。

圖1分立儀表放大器使用四通道運(yùn)算放大器。來(lái)源：德州儀器

所有標(biāo)有“R”的電阻值均為10 kΩ;RG設(shè)置差分增益。差分輸入電壓為 VIN+– V在–輸出電壓為V外。公式1給出了完整的傳遞函數(shù)。圖1未顯示某些元件，例如負(fù)載電阻（10 kΩ）和去耦電容。因此，從封裝角度繪制所有電路可以說(shuō)明外部分立元件的數(shù)量。

V外= （VIN+– V在-） × ［1+20kΩ/RG］ + （（V+） × RD2/RD1+ RD2） = （VIN+– V在-） × ［1+20kΩ/RG］ + V裁判（1）

當(dāng)PCB面積和性能次于成本和增益范圍時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)選擇分立式IA。我們選擇TLV9064IRUCR運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，因?yàn)樗擒壍杰壿斎?輸出（RRIO）器件，具有寬增益帶寬積（10 MHz），具有低典型初始輸入失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)（典型值） = 300 μV），采用小型封裝 （RUC = X2QFN = 4 mm2）。

雖然采用RUC/X2QFN封裝的RRIO四通道運(yùn)算放大器價(jià)格較低，但它們是以帶寬和典型失調(diào)電壓為代價(jià)的。我們安裝了廉價(jià)的±1%容差、±100 ppm/°C漂移電阻，以符合分立式IA的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。這些電阻不僅初始值不同，而且還可能隨溫度發(fā)生顯著漂移。這種配置的增益主要受運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的限制。

2. 通用IA

圖2是INA351ABS的簡(jiǎn)化原理圖，這是一種具有集成R的通用IAG和基準(zhǔn)電壓緩沖器運(yùn)算放大器。V 的值裁判基于電阻分壓器元件RD1和 RD2，然后用集成運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖。該電路集成了IA中的所有電阻，但電阻分壓器元件除外，這在測(cè)量溫度性能時(shí)非常重要。差分輸入電壓為 VIN+– V在–輸出電壓為V外。

圖2顯示通用 IA 和集成 RG和參考緩沖區(qū)。來(lái)源：德州儀器

公式2給出了完整的傳遞函數(shù)，因?yàn)閳D2沒(méi)有顯示一些元件，如負(fù)載電阻（10 kΩ）和去耦電容。該電路的增益根據(jù)連接到引腳1的電壓（開(kāi)路或V+ = 20 V/V， V– = 10 V/V）設(shè)置。在本文中，我們將增益設(shè)置為20 V/V。要啟用設(shè)備，請(qǐng)將引腳 8 （） 連接到 V+，或使其保持浮動(dòng)狀態(tài)。

V外= （VIN+– V在-） × ［20 V/V］ + （（V+） × RD2/RD1+RD2） = （VIN+– V在-） × ［20 V/V］ + V裁判（2）

設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在要求平衡成本、性能和PCB面積時(shí)選擇通用IA。我們選擇INA351ABSIDSGR IA進(jìn)行比較，因?yàn)樗慕?jīng)濟(jì)性，性能，小封裝（DSG = WSON = 4 mm2）、可選增益（10 V/V 或 20 V/V）和低典型輸入失調(diào)電壓 （V操作系統(tǒng)（典型值） = 200 μV）。

此實(shí)現(xiàn)只需要兩個(gè)外部組件 RD1和 RD2.為了與此選項(xiàng)的成本競(jìng)爭(zhēng)力保持一致，我們安裝了廉價(jià)的±1%容差和±100 ppm/°C漂移電阻。對(duì)于需要更高增益的設(shè)計(jì)，INA351CDS的增益為30 V/V或50 V/V。

3. 精度 IA

圖 3 是 INA333 的簡(jiǎn)化原理圖，INA《》 是一款具有外部 R 的單電源精密 IAG和外部基準(zhǔn)電壓緩沖器 （OPA333）。與其他兩種實(shí)現(xiàn)方案一樣，電阻分壓器元件RD1和 RD2確定 V裁判。在本電路中，IA積分除R以外的所有電阻G， RD1和 RD2.差分輸入電壓為 VIN+– V在–輸出電壓為V外。

圖3精度 IA 與外部 R 一起顯示G和外部基準(zhǔn)電壓緩沖器。來(lái)源：德州儀器

公式3給出了完整的傳遞函數(shù)，因?yàn)閳D3沒(méi)有顯示某些元件，例如負(fù)載電阻（10 kΩ）和去耦電容。

V外= （VIN+– V在-） × ［1 + 100kΩ/RG］ + （（V+） × RD2/RD1+ RD2） = （VIN+– V在-） × ［1 + 100kΩ/RG］ + V裁判（3）

當(dāng)性能是最高優(yōu)先級(jí)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將使用精密IA和運(yùn)算放大器。我們選擇了INA333AIDRGR精度IA進(jìn)行比較，因?yàn)樗堑碗妷海? V），具有良好的精度（G = 1 V / V，V操作系統(tǒng)（典型值） = 35 μV），采用小型封裝（DRG = WSON = 9 mm2）。出于類(lèi)似的原因，我們選擇OPA333AIDCKR精密運(yùn)算放大器作為基準(zhǔn)電壓緩沖器（5 V電源，V操作系統(tǒng)（典型值） = 2 μV， DCK = SC-70-5 = 2.5 mm2）。

溫度范圍內(nèi)的性能取決于外部R的選擇G.因此，為了與主要設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)（性能）保持一致，我們使用了精度 RG增益為 20 V/V （±0.05%，±10 ppm/°C），精密元件用于 RD1和 RD2.由于集成了精密運(yùn)算放大器，因此該方案具有出色的增益范圍（1 V/V至1，000 V/V）。考慮到集成精密運(yùn)算放大器、外部精密基準(zhǔn)電壓緩沖器和高精度/低漂移分立電阻，總體成本通常高于其他兩種解決方案。

印刷電路板布局

我們專(zhuān)門(mén)為此比較設(shè)計(jì)了一個(gè)PCB，其中包含上述三個(gè)電路，位于圓形區(qū)域，溫度強(qiáng)制單元的噴嘴將安裝在該區(qū)域。我們 注意 向 每 路 電路 提供 相同 的 輸入 信號(hào)， 從而 減輕 了 對(duì) “泄漏 ” 的 擔(dān)憂， 并 分別 對(duì) 每 路 輸出 進(jìn)行 布線 以確保 隔離。

圖4顯示了每個(gè)IA電路的簡(jiǎn)化布局，以比較每種解決方案的相對(duì)尺寸，包括去耦電容、增益設(shè)置電阻和基準(zhǔn)電壓元件。為了進(jìn)行比較，我們使用了最小的器件封裝，以及0402封裝中的電阻器和電容器。

圖4簡(jiǎn)化的PCB布局用于比較IA電路。來(lái)源：德州儀器

如您所見(jiàn)，分立式IA實(shí)現(xiàn)是三種PCB布局中最大的一種。由于集成了R，通用解決方案明顯小于其他解決方案。G、集成基準(zhǔn)電壓緩沖器和更小的芯片尺寸。精密IA是一種零漂移器件，以犧牲芯片尺寸為代價(jià)提供強(qiáng)大的精度。

測(cè)量結(jié)果

我們使用增益和失調(diào)誤差來(lái)衡量每個(gè)電路在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的相對(duì)性能。作為基線測(cè)量，我們將精密IA置于1 V/V（RG= 打開(kāi)）。對(duì)于每次掃描，我們調(diào)整輸入信號(hào)，使輸出電壓范圍為0.5 V至4.5 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V。我們補(bǔ)償了由理想電阻值和標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異引起的誤差。

表1顯示了精度IA（G = 1 V/V）在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的基線增益和失調(diào)誤差。

表1精密IA增益和失調(diào)誤差隨溫度（G = 1 V/V）的關(guān)系。來(lái)源：德州儀器

表2顯示了增益為20 V/V且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)所有IA的增益和失調(diào)誤差（參考至輸出或RTO）。綠色陰影表示在每個(gè)溫度下性能最高的實(shí)現(xiàn)。

表2增益和失調(diào)誤差（RTO）隨溫度（G = 20 V/V）的關(guān)系。來(lái)源：德州儀器

從性能角度來(lái)看，表 1 和表 2 顯示，如果沒(méi)有外部 RG，精度 IA 優(yōu)于所有其他解決方案。從增益誤差的角度來(lái)看，通用和精密IA解決方案具有可比性;兩者都明顯優(yōu)于離散實(shí)現(xiàn)。

這主要是因?yàn)橥獠?RGG = 20 V/V精密IA實(shí)現(xiàn)需要，而通用解決方案集成了RG.在查看失調(diào)誤差時(shí)，精密IA解決方案顯然是最精確的，而通用失調(diào)誤差約為分立解決方案的一半。總體而言，與兩種集成解決方案相比，離散IA的性能明顯較差。

比較摘要

雖然許多設(shè)計(jì)人員通常在低成本應(yīng)用中實(shí)施分立式解決方案，但新的通用IA（例如INA351）可能會(huì)降低總體成本并改善性能。根據(jù)增益的不同，INA333 等精密 IA 可以提供卓越的性能和增益范圍，盡管外部 RG是性能的重要因素，尤其是在溫度范圍內(nèi)。

表3總結(jié)了比較情況。

表3以下是單電源IA電路解決方案的更廣泛比較。來(lái)源：德州儀器

下次設(shè)計(jì)單電源IA時(shí)，請(qǐng)權(quán)衡本文中概述的權(quán)衡取舍。對(duì)于需要最高精度的應(yīng)用，精密IA是顯而易見(jiàn)的選擇。對(duì)于需要經(jīng)濟(jì)高效性能的應(yīng)用程序，顯而易見(jiàn)的選擇是不再構(gòu)建離散的 IA。新的通用IA可以提供比分立式解決方案明顯更好的性能，同時(shí)占用更少的PCB面積并降低系統(tǒng)成本。

編輯：黃飛