对比双电源分立式和集成式仪表放大器

在上期中，我们介绍了控制 PFC 并实现单位功率因数的新方法。

本期，为大家带来的是《对比双电源分立式和集成式仪表放大器》，目的是比较三种双电源 IA 威廉希尔官方网站 ：使用四路运算放大器 (op amp) 的分立式 IA、具有集成增益设置电阻器 (RG) 的通用 IA 和带有外部 RG 的精密 IA。

引言

设计分立式仪表放大器 (IA) 与集成式 IA 的优点和缺点有很多，而且经常争论不休。需要考虑的一些变量包括印刷威廉希尔官方网站 板 (PCB) 面积、增益范围、性能（随温度变化）和成本。本文的目的是比较三种双电源 IA 威廉希尔官方网站 ：使用四路运算放大器 (op amp) 的分立式 IA、具有集成增益设置电阻器 (RG) 的通用 IA 和带有外部 RG 的精密 IA。

双电源威廉希尔官方网站

图 1 是使用德州仪器 (TI) TLV9064 四路运算放大器威廉希尔官方网站 的分立式双电源 IA 的简化原理图。在此威廉希尔官方网站 中，四个放大器通道中的三个（A、B 和 C）作为传统的三运算放大器 IA连接。基准电压 (VREF) 接地。由于第四个通道 D 没有使用，因此它作为缓冲器通过一个电阻器连接到 1/2 Vs（接地）以实现瞬态稳定性。所有标有 “R” 的电阻值均为 10kΩ；RG 设置差分增益。差分输入电压为 VIN+ − VIN–，输出电压为 VOUT。一些元件未显示，例如负载电阻器 (10kΩ) 和去耦电容器。从封装角度绘制所有威廉希尔官方网站 说明了外部分立元件的数量。

图 1. 使用四路运算放大器的分立式双电源 IA

方程式 1 提供了该威廉希尔官方网站 的传递函数：

方程式 1

当 PCB 面积和性能次于成本和增益范围时，设计人员通常会选择分立式 IA。之所以选择 TI 的 TLV9064IRUCR 运算放大器进行此次比较，因为它是一款轨到轨输入/输出器件 (RRIO)，具有宽带宽 (10MHz) 和低典型初始输入失调电压 (VOS(typ) = 300µV)，并且采用小型封装 (RUC = X2QFN =4mm2)。虽然 RUC/X2QFN 封装中存在较便宜的 RRIO 四路运算放大器，但它们会影响带宽和典型失调电压。

为了与分立式 IA 的设计优先级保持一致，安装了价格低廉的 ±1% 容差、±100ppm/°C 漂移电阻器。这些电阻器不仅初始值不同，而且可能会随着温度的变化而发生显着漂移。由于 RG 是外部的，因此该配置的增益主要受运算放大器的输入失调电压限制。

图 2 是 TI INA350ABS 的简化原理图，这是一款集成了 RG 的通用双电源 IA。VREF 接地。该威廉希尔官方网站 集成了 IA 中的所有电阻。差分输入电压为 VIN+ − VIN–，输出电压为 VOUT。一些元件未显示，例如负载电阻器 (10kΩ) 和去耦电容器。IA 的增益根据连接到引脚 1 的开关进行设置（开路 = 20V/V，闭合 = 10V/V）。在实际应用中，开关将不存在。要启用该器件，请将引脚 8 (SHDN) 连接至 V+ 或使其悬空。

图 2. 具有集成 RG 的通用双电源 IA

方程式 2 提供了该威廉希尔官方网站 的传递函数：

方程式 2

当设计人员需要平衡成本、性能和 PCB 面积时，通常会选择此 IA。之所以选择 INA350ABSIDSGR IA 进行本次比较，是因为它性价比高、性能高、采用小型封装（主要DSG = WSON = 4mm2）、可选增益（10V/V 或 20V/V），并且具有低典型输入失调电压 (VOS(typ) = 200µV)。此实现无需外部元件。对于需要更高增益的设计，INA350CDS 的增益为 30V/V 或 50V/V。

图 3 是具有外部 RG 的 TI INA333 精密双电源 IA 的简化原理图。VREF 接地。在该威廉希尔官方网站 中，IA 集成了除 RG 之外的所有电阻。差分输入电压为 VIN+ − VIN–，输出电压为 VOUT。一些元件未显示，例如负载电阻器 (10kΩ) 和去耦电容器。

图 3. 具有外部 RG 的精密双电源 IA

方程式 3 提供了该威廉希尔官方网站 的传递函数：

方程式 3

当性能具有最高优先级时，设计人员通常会使用精密 IA。之所以选择 INA333AIDRGR 精密 IA 进行本次比较，是因为它电压低 (5V)，具有出色的精度 (G = 1 V/V, VOS(typ) = 35µV)，并且采用小型封装 (DRG = WSON = 9mm2)。整个温度范围内的性能取决于所选择的外部 RG。因此，为了与主要设计优先事项（性能）保持一致，我们使用了精密 RG 来提供增益 10V/V（±0.05%，±10 ppm/°C）。由于集成了精密运算放大器，因此该实现具有出色的增益范围（1V/V 至 1,000V/V）。然而，考虑到集成精密运算放大器和所需的精密 RG，总体成本通常高于其他两种解决方案。

PCB 布局

一个专门为此比较而设计的 PCB 在一个圆形区域中包含上述三个威廉希尔官方网站 ，温度强制单元的喷嘴将安装在该区域上。向每个威廉希尔官方网站 提供相同的输入信号时非常小心，以减轻对“泄漏”的担忧。每个输出均单独布线以确保隔离。

图 4 展示了每个 IA 威廉希尔官方网站 的简化布局，以比较每个解决方案的相对大小，包括去耦电容器。出于比较目的，使用了最小的器件封装，以及 0402 封装中的电阻器和电容器。

图 4. 双电源 IA 威廉希尔官方网站 的简化 PCB 布局比较

如您所见，离散 IA 实现明显大于两个集成解决方案。凭借集成的 RG 和更小的内核尺寸，通用 IA 布局的尺寸几乎是精密 IA 布局的一半。

测量结果

增益和失调电压误差用来衡量每个威廉希尔官方网站 在整个温度范围内的相对性能。作为基线测量，精密双电源 IA 的增益为 1V/V（RG =开路）。对于每次扫描，输入信号都会被缩放，以使输出电压范围为 –2V 至 +2V。

表 1 描述了在整个温度范围内 G = 1V/V 时，精度 IA 的基线增益和失调电压误差。该表包含数据表在 25°C 时的典型增益和失调电压误差值，以验证测量系统。

表 1. 精密 IA 增益和失调电压误差

与温度间的关系 (G = 1V/V)。

表 2 描述了在整个温度范围内增益为 10V/V 时，所有 IA 的增益和失调电压误差（参考了输出 [RTO]）。绿色阴影表示每个温度下性能最高的实现

表 2. 增益和失调电压误差 (RTO) 

与温度的关系（增益 = 10V/V）

表 1 和表 2 显示，从性能的角度来看，如果没有外部 RG，精密的双电源 IA 优于所有其他解决方案。从增益误差的角度来看，通用和精密 IA 解决方案相当。这主要是因为 G = 10V/V 精密 IA 实现需要外部 RG，而通用解决方案集成了 RG。在查看失调电压误差时，精密 IA 解决方案显然是最准确的，而通用失调电压误差约为离散解决方案的一半。总体而言，与两种集成解决方案相比，分立式 IA 的性能明显较差。

结论

虽然许多设计人员通常在低成本应用中实施分立式解决方案，但新的通用 IA（例如，TI 的 INA350）可能会产生更低的总体成本和更好的性能。根据增益的不同，精密 IA（如 INA333）可以提供卓越的性能和增益范围，尽管外部 RG 是重要的性能因素，尤其是在整个温度范围内。

表 3 对比较结果进行了总结。

表 3. 双电源 IA 威廉希尔官方网站 解决方案比较

下次设计双电源 IA 时，请考虑本文概述的权衡取舍。对于需要最高精度的应用，精密 IA 是必然的选择。对于需要经济高效的性能的应用，选择不再像构建分立式 IA 那么简单。新的通用 IA 可以提供比分立式解决方案明显更好的性能，同时占用更少的 PCB 面积并降低系统成本。