有助減少溫度係數漂移　INA發現共模訊號更輕易

接下來，我們來看看可受益於INA的一些應用。例如，一種使用感測器調整鐳射步進馬達進行視力矯正眼科手術的醫療儀器。高精確度至關重要，並且不允許手術室中的其他設備影響感測器訊號，避免導致意外後果。另一個例子是工廠沖床。這些機器對金屬施加數千磅的力，將其彎曲成特定形狀。利用感測器，這些機器設計為在感測器檢測到人手時停止。在此範例中，非常關鍵的一點是其他工廠設備的電氣雜訊不能造成會導致故障的干擾。

在上述兩種情況下，感測器訊號都會最先通過儀表放大器。必須在所有環境下精確放大微小的感測器訊號。儀表放大器專門用於精確放大微小訊號，在高雜訊環境中實現高增益精確度。

進一步增強INA效能的其他注意事項。還包含低功耗對於延長電池壽命至關重要。低工作電壓使電池可以在耗竭曲線上使用得更久，進而延長電池壽命。另外，寬輸入電壓範圍可以相容更多感測器，輸入端的阻抗匹配有助於無縫的與感測器連接。

隨著消費電子、醫療和工業應用的數量不斷增加，為了充分利用INA提供的效能優勢，INA的設計多年來一直在不斷發展。接下來，我們來看看INA設計如何從原始方法發展到如今的儀表放大器。本文將透過回顧這些架構及其相關的優勢和局限性，展示當今儀表放大器的效能改進與實際應用。

在深入研究不同的方法之前，我們先透過圖1瞭解正在嘗試完成的任務。感測器輸出連接到用於放大差模電壓的INA輸入。雜訊有多種來源，包括輻射雜訊和傳導雜訊。典型雜訊可能來自開關電源、馬達和無線設備。可以通過遮罩和良好的PCB布局來降低這種雜訊，但有些雜訊仍會通過。幸運的是，大多數雜訊表現為同相共模電壓(VCM)，疊加在差模輸入感測器電壓(VDM)上，設計合理的儀表放大器具有良好的共模拒斥比(CMRR)，這會大幅降低這種電壓以保持增益精確度。對於直流，通常會指定最小CMRR，而對於交流，則會在效能曲線中記錄CMRR效能。

分立式差分放大器存有多種缺點

如果想要放大感測器輸出端的電壓差，一個簡單的差分放大器就可以實現，但它有許多缺點。在圖2所示的簡單實現中，單電源應用的_VIN+偏向_VREF(通常為電源電壓的½)。由於運算放大器設計用於放大差模電壓，因此本身可提供良好的CMRR，但這會被周圍的電路拖累。任何外部電阻的不匹配(包括連接到VREF的任何分壓網路造成的不匹配)都會限制運算放大抑制共模訊號的能力，進而降低CMRR。電阻公差不足以維持INA預期的良好CMRR。使用下面的公式可以看出電阻不匹配對CMRR的影響。

在公式1中，差分放大器的增益G=1V/V，TR為電阻公差。

如果TR=1%，則最差情況下的直流CMRR_DIFF為34dB。

如果TR=0.1%，則最差情況下的直流CMRR_DIFF為54dB。

K是R1/R2與R3/R4的淨匹配容差 

K可以高達4TR(最壞情況下)

公式1

放大器放大輸入端的差模電壓，放大器的增益為：

VOUT=G*V_DM

    =(R1/R2)*(V_IN+-V_IN-)+V_REF

問題是差模電壓(V_IN-和V_IN+)包含疊加雜訊，並且任何未受抑制的共模電壓(由於CMRR較差)都將被放大，進而導致輸出被雜訊破壞。

這種簡單的方法還有其他缺點。通常，運算放大器的輸入阻抗很高(MΩ~GΩ範圍)，但是由於存在回饋路徑和參考電壓，阻抗會減小且不平衡，進而增加感測器負載並增加不準確性。雖然此電路會放大小型訊號感測器的訊號，但在雜訊環境下的增益精確度較差，因此不適用於儀表放大器。

三運算放大器存在共模電壓限制

這是單個積體電路(IC)中一種常見INA封裝(圖3)。該電路分為兩級。輸入級有兩個反相緩衝放大器，輸出級是一個傳統的差分放大器。整個設計中使用的內部電阻需要匹配到一個非常精密的容差，只有微調電阻半導體設計能夠實現。這可以產生更高的CMRR。輸入級放大器還提供高阻抗，可最大限度減少感測器的負載。設計人員可以使用增益設置電阻RG在元件工作區內選擇任何增益(通常從1V/V~1000V/V)。輸出級是一個傳統的差分放大器。通過內部電阻比率R2/R1設置內部差分放大器的增益，大多數儀表放大器的典型值為G=1V/V(由第一級放大器提供總增益)。從輸入到輸出的平衡訊號路徑會產生出色的CMRR。該設計易於實施，占用空間小，元件數量少，這有助於降低系統成本。該設計還與使用VREF接腳的單源供電相容。但是，即使採用這種設計，也需要考慮一些限制。三運算放大INA通過匹配差分放大器的片上電阻實現直流下的高CMRR，但回饋架構可能會顯著降低交流CMRR。此外，寄生電容無法完全匹配會導致不匹配，並降低不同頻率下的CMRR。共模電壓輸入範圍受到限制，因此內部節點不會飽和。VREF接腳需要使用緩衝放大器以實現最佳效能。最後，外部和內部增益電阻的溫度係數不匹配也會導致CMRR下降。

在數學上，增益精確度取決於電阻匹配程度：

公式2

其中：

公式3

ICF具成本低/外部不須匹配內建電阻優勢

間接電流回饋(ICF)INA採用新穎的電壓電流轉換方法(圖4)。它由兩個匹配的跨導放大器G_M1和G_M2以及一個高增益跨阻放大器(A3)組成。該設計不依賴於平衡的電阻，因此不須內部微調電阻，因此降低了製造成本。另一個優點是外部電阻不需要匹配任何內建電阻。只需要盡可能匹配RF和RG外部電阻的溫度係數，減小增益漂移。

由於放大器G_M1會抑制共模訊號，因此直流CMRR很高。交流CMRR也不會隨著頻率的增加而顯著下降。需要指出，為了防止內部節點飽和，三運算放大器方法的輸入範圍受限。使用ICF時，輸出電壓擺幅不會與輸入共模電壓耦合，這樣便可達到三運算放大器架構無法實現的擴展工作範圍。第二級(G_M2和A3)以差分方式放大訊號，進一步抑制V_FG和V_REF上的共模雜訊。仍然可以使用單電源操作對V_REF施加偏壓。

ICF INA的增益為：

公式4

其中VDM是差模電壓

公式5

圖5顯示了INA的一些典型應用。可通過INA精確放大所示的各種感測器訊號，並送入轉換器和微控制器。

多年來，在雜訊環境下放大微小訊號的需求不斷增加。分立式運算放大器是最簡單的實現方法，但不適合用作INA。整合三運算放大器方法具有顯著優勢，包括高直流CMRR、平衡的高輸入阻抗以及一個增益電阻。但是，由於存在共模電壓限制，因此難以匹配內部和外部電阻溫度係數，進而導致增益漂移。除非使用緩衝器，否則V_REF接腳處的阻抗也會對CMRR產生不利影響。ICF方法也具有高CMRR(即使在較高的頻率下)、較寬的共模電壓範圍且沒有片上微調電阻，這有助於降低成本並減小溫度係數增益漂移。設計人員可以使用INA放大微伏電平的感測器訊號，同時高度的抑制在雜訊環境中發現的共模訊號。

(本文作者為Microchip混合及線性訊號業務部資深產品行銷經理)