對(duì)比雙電源分立式和集成式儀表放大器

本期，為大家?guī)?lái)的是《對(duì)比雙電源分立式和集成式儀表放大器》，目的是比較三種雙電源 IA 電路：使用四路運(yùn)算放大器 (op amp) 的分立式 IA、具有集成增益設(shè)置電阻器 (RG) 的通用 IA 和帶有外部 RG 的精密 IA。

引言

設(shè)計(jì)分立式儀表放大器 (IA) 與集成式 IA 的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有很多，而且經(jīng)常爭(zhēng)論不休。需要考慮的一些變量包括印刷電路板 (PCB) 面積、增益范圍、性能（隨溫度變化）和成本。本文的目的是比較三種雙電源 IA 電路：使用四路運(yùn)算放大器 (op amp) 的分立式 IA、具有集成增益設(shè)置電阻器 (RG) 的通用 IA 和帶有外部 RG 的精密 IA。

雙電源電路

圖 1 是使用德州儀器 (TI) TLV9064 四路運(yùn)算放大器電路的分立式雙電源 IA 的簡(jiǎn)化原理圖。在此電路中，四個(gè)放大器通道中的三個(gè)（A、B 和 C）作為傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器 IA連接。基準(zhǔn)電壓 (VREF) 接地。由于第四個(gè)通道 D 沒(méi)有使用，因此它作為緩沖器通過(guò)一個(gè)電阻器連接到 1/2 Vs（接地）以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)穩(wěn)定性。所有標(biāo)有 “R” 的電阻值均為 10kΩ；RG 設(shè)置差分增益。差分輸入電壓為 VIN+ ? VIN–，輸出電壓為 VOUT。一些元件未顯示，例如負(fù)載電阻器 (10kΩ) 和去耦電容器。從封裝角度繪制所有電路說(shuō)明了外部分立元件的數(shù)量。

圖 1. 使用四路運(yùn)算放大器的分立式雙電源 IA

方程式 1 提供了該電路的傳遞函數(shù)：

方程式 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。之所以選擇 TI 的 TLV9064IRUCR 運(yùn)算放大器進(jìn)行此次比較，因?yàn)樗且豢钴壍杰壿斎?輸出器件 (RRIO)，具有寬帶寬 (10MHz) 和低典型初始輸入失調(diào)電壓 (VOS(typ) = 300μV)，并且采用小型封裝 (RUC = X2QFN =4mm2)。雖然 RUC/X2QFN 封裝中存在較便宜的 RRIO 四路運(yùn)算放大器，但它們會(huì)影響帶寬和典型失調(diào)電壓。

為了與分立式 IA 的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)保持一致，安裝了價(jià)格低廉的 ±1% 容差、±100ppm/°C 漂移電阻器。這些電阻器不僅初始值不同，而且可能會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生顯著漂移。由于 RG 是外部的，因此該配置的增益主要受運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓限制。

圖 2 是 TI INA350ABS 的簡(jiǎn)化原理圖，這是一款集成了 RG 的通用雙電源 IA。VREF 接地。該電路集成了 IA 中的所有電阻。差分輸入電壓為 VIN+ ? VIN–，輸出電壓為 VOUT。一些元件未顯示，例如負(fù)載電阻器 (10kΩ) 和去耦電容器。IA 的增益根據(jù)連接到引腳 1 的開關(guān)進(jìn)行設(shè)置（開路 = 20V/V，閉合 = 10V/V）。在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)將不存在。要啟用該器件，請(qǐng)將引腳 8 (SHDN) 連接至 V+ 或使其懸空。

圖 2. 具有集成 RG 的通用雙電源 IA

方程式 2 提供了該電路的傳遞函數(shù)：

方程式 2

當(dāng)設(shè)計(jì)人員需要平衡成本、性能和 PCB 面積時(shí)，通常會(huì)選擇此 IA。之所以選擇 INA350ABSIDSGR IA 進(jìn)行本次比較，是因?yàn)樗詢r(jià)比高、性能高、采用小型封裝（主要DSG = WSON = 4mm2）、可選增益（10V/V 或 20V/V），并且具有低典型輸入失調(diào)電壓 (VOS(typ) = 200μV)。此實(shí)現(xiàn)無(wú)需外部元件。對(duì)于需要更高增益的設(shè)計(jì)，INA350CDS 的增益為 30V/V 或 50V/V。

圖 3 是具有外部 RG 的 TI INA333 精密雙電源 IA 的簡(jiǎn)化原理圖。VREF 接地。在該電路中，IA 集成了除 RG 之外的所有電阻。差分輸入電壓為 VIN+ ? VIN–，輸出電壓為 VOUT。一些元件未顯示，例如負(fù)載電阻器 (10kΩ) 和去耦電容器。

圖 3. 具有外部 RG 的精密雙電源 IA

方程式 3 提供了該電路的傳遞函數(shù)：

方程式 3

當(dāng)性能具有最高優(yōu)先級(jí)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用精密 IA。之所以選擇 INA333AIDRGR 精密 IA 進(jìn)行本次比較，是因?yàn)樗妷旱?(5V)，具有出色的精度 (G = 1 V/V, VOS(typ) = 35μV)，并且采用小型封裝 (DRG = WSON = 9mm2)。整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能取決于所選擇的外部 RG。因此，為了與主要設(shè)計(jì)優(yōu)先事項(xiàng)（性能）保持一致，我們使用了精密 RG 來(lái)提供增益 10V/V（±0.05%，±10 ppm/°C）。由于集成了精密運(yùn)算放大器，因此該實(shí)現(xiàn)具有出色的增益范圍（1V/V 至 1,000V/V）。然而，考慮到集成精密運(yùn)算放大器和所需的精密 RG，總體成本通常高于其他兩種解決方案。

PCB 布局

一個(gè)專門為此比較而設(shè)計(jì)的 PCB 在一個(gè)圓形區(qū)域中包含上述三個(gè)電路，溫度強(qiáng)制單元的噴嘴將安裝在該區(qū)域上。向每個(gè)電路提供相同的輸入信號(hào)時(shí)非常小心，以減輕對(duì)“泄漏”的擔(dān)憂。每個(gè)輸出均單獨(dú)布線以確保隔離。

圖 4 展示了每個(gè) IA 電路的簡(jiǎn)化布局，以比較每個(gè)解決方案的相對(duì)大小，包括去耦電容器。出于比較目的，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. 雙電源 IA 電路的簡(jiǎn)化 PCB 布局比較

如您所見(jiàn)，離散 IA 實(shí)現(xiàn)明顯大于兩個(gè)集成解決方案。憑借集成的 RG 和更小的內(nèi)核尺寸，通用 IA 布局的尺寸幾乎是精密 IA 布局的一半。

測(cè)量結(jié)果

增益和失調(diào)電壓誤差用來(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，精密雙電源 IA 的增益為 1V/V（RG =開路）。對(duì)于每次掃描，輸入信號(hào)都會(huì)被縮放，以使輸出電壓范圍為 –2V 至 +2V。

表 1 描述了在整個(gè)溫度范圍內(nèi) G = 1V/V 時(shí)，精度 IA 的基線增益和失調(diào)電壓誤差。該表包含數(shù)據(jù)表在 25°C 時(shí)的典型增益和失調(diào)電壓誤差值，以驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)。

表 1. 精密 IA 增益和失調(diào)電壓誤差與溫度間的關(guān)系 (G = 1V/V)。

表 2 描述了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)增益為 10V/V 時(shí)，所有 IA 的增益和失調(diào)電壓誤差（參考了輸出 [RTO]）。綠色陰影表示每個(gè)溫度下性能最高的實(shí)現(xiàn)

表 2. 增益和失調(diào)電壓誤差 (RTO) 與溫度的關(guān)系（增益 = 10V/V）

表 1 和表 2 顯示，從性能的角度來(lái)看，如果沒(méi)有外部 RG，精密的雙電源 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 解決方案相當(dāng)。這主要是因?yàn)?G = 10V/V 精密 IA 實(shí)現(xiàn)需要外部 RG，而通用解決方案集成了 RG。在查看失調(diào)電壓誤差時(shí)，精密 IA 解決方案顯然是最準(zhǔn)確的，而通用失調(diào)電壓誤差約為離散解決方案的一半?？傮w而言，與兩種集成解決方案相比，分立式 IA 的性能明顯較差。

結(jié)論

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，TI 的 INA350）可能會(huì)產(chǎn)生更低的總體成本和更好的性能。根據(jù)增益的不同，精密 IA（如 INA333）可以提供卓越的性能和增益范圍，盡管外部 RG 是重要的性能因素，尤其是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)。

表 3 對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

表 3. 雙電源 IA 電路解決方案比較

下次設(shè)計(jì)雙電源 IA 時(shí)，請(qǐng)考慮本文概述的權(quán)衡取舍。對(duì)于需要最高精度的應(yīng)用，精密 IA 是必然的選擇。對(duì)于需要經(jīng)濟(jì)高效的性能的應(yīng)用，選擇不再像構(gòu)建分立式 IA 那么簡(jiǎn)單。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。