BY PETER SEMIG， JACOB NOGAJ AND JERRY MADALVANOS

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

單電源電路

1. 離散 IA

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

圖1分立儀表放大器使用四通道運算放大器。來源：德州儀器

所有標有“R”的電阻值均為10 kΩ;RG設置差分增益。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。圖1未顯示某些元件，例如負載電阻（10 kΩ）和去耦電容。因此，從封裝角度繪制所有電路可以說明外部分立元件的數量。

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

當PCB面積和性能次于成本和增益范圍時，設計人員通常會選擇分立式IA。我們選擇TLV9064IRUCR運算放大器進行比較，因為它是軌到軌輸入/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電壓（V操作系統（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四通道運算放大器價格較低，但它們是以帶寬和典型失調電壓為代價的。我們安裝了廉價的±1%容差、±100 ppm/°C漂移電阻，以符合分立式IA的設計優先級。這些電阻不僅初始值不同，而且還可能隨溫度發生顯著漂移。這種配置的增益主要受運算放大器輸入失調電壓的限制。

2. 通用IA

圖2是INA351ABS的簡化原理圖，這是一種具有集成R的通用IAG和基準電壓緩沖器運算放大器。V 的值裁判基于電阻分壓器元件RD1和 RD2，然后用集成運算放大器進行緩沖。該電路集成了IA中的所有電阻，但電阻分壓器元件除外，這在測量溫度性能時非常重要。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。來源：德州儀器

公式2給出了完整的傳遞函數，因為圖2沒有顯示一些元件，如負載電阻（10 kΩ）和去耦電容。該電路的增益根據連接到引腳1的電壓（開路或V+ = 20 V/V， V– = 10 V/V）設置。在本文中，我們將增益設置為20 V/V。要啟用設備，請將引腳 8 （） 連接到 V+，或使其保持浮動狀態。

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

設計人員通常會在要求平衡成本、性能和PCB面積時選擇通用IA。我們選擇INA351ABSIDSGR IA進行比較，因為它的經濟性，性能，小封裝（DSG = WSON = 4 mm2）、可選增益（10 V/V 或 20 V/V）和低典型輸入失調電壓 （V操作系統（典型值） = 200 μV）。

此實現只需要兩個外部組件 RD1和 RD2.為了與此選項的成本競爭力保持一致，我們安裝了廉價的±1%容差和±100 ppm/°C漂移電阻。對于需要更高增益的設計，INA351CDS的增益為30 V/V或50 V/V。

3. 精度 IA

圖 3 是 INA333 的簡化原理圖，INA《》 是一款具有外部 R 的單電源精密 IAG和外部基準電壓緩沖器 （OPA333）。與其他兩種實現方案一樣，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和外部基準電壓緩沖器。來源：德州儀器

公式3給出了完整的傳遞函數，因為圖3沒有顯示某些元件，例如負載電阻（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）

當性能是最高優先級時，設計人員將使用精密IA和運算放大器。我們選擇了INA333AIDRGR精度IA進行比較，因為它是低電壓（5 V），具有良好的精度（G = 1 V / V，V操作系統（典型值） = 35 μV），采用小型封裝（DRG = WSON = 9 mm2）。出于類似的原因，我們選擇OPA333AIDCKR精密運算放大器作為基準電壓緩沖器（5 V電源，V操作系統（典型值） = 2 μV， DCK = SC-70-5 = 2.5 mm2）。

溫度范圍內的性能取決于外部R的選擇G.因此，為了與主要設計優先級（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）。考慮到集成精密運算放大器、外部精密基準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

我們專門為此比較設計了一個PCB，其中包含上述三個電路，位于圓形區域，溫度強制單元的噴嘴將安裝在該區域。我們 注意 向 每 路 電路 提供 相同 的 輸入 信號， 從而 減輕 了 對 “泄漏 ” 的 擔憂， 并 分別 對 每 路 輸出 進行 布線 以確保 隔離。

圖4顯示了每個IA電路的簡化布局，以比較每種解決方案的相對尺寸，包括去耦電容、增益設置電阻和基準電壓元件。為了進行比較，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簡化的PCB布局用于比較IA電路。來源：德州儀器

如您所見，分立式IA實現是三種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提供強大的精度。

測量結果

我們使用增益和失調誤差來衡量每個電路在整個溫度范圍內的相對性能。作為基線測量，我們將精密IA置于1 V/V（RG= 打開）。對于每次掃描，我們調整輸入信號，使輸出電壓范圍為0.5 V至4.5 V，基準電壓為2.5 V。我們補償了由理想電阻值和標準值之間的差異引起的誤差。

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

表1精密IA增益和失調誤差隨溫度（G = 1 V/V）的關系。來源：德州儀器

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

表2增益和失調誤差（RTO）隨溫度（G = 20 V/V）的關系。來源：德州儀器

從性能角度來看，表 1 和表 2 顯示，如果沒有外部 RG，精度 IA 優于所有其他解決方案。從增益誤差的角度來看，通用和精密IA解決方案具有可比性;兩者都明顯優于離散實現。

這主要是因為外部 RGG = 20 V/V精密IA實現需要，而通用解決方案集成了RG.在查看失調誤差時，精密IA解決方案顯然是最精確的，而通用失調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

雖然許多設計人員通常在低成本應用中實施分立式解決方案，但新的通用IA（例如INA351）可能會降低總體成本并改善性能。根據增益的不同，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。

表3總結了比較情況。

表3以下是單電源IA電路解決方案的更廣泛比較。來源：德州儀器

下次設計單電源IA時，請權衡本文中概述的權衡取舍。對于需要最高精度的應用，精密IA是顯而易見的選擇。對于需要經濟高效性能的應用程序，顯而易見的選擇是不再構建離散的 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，同時占用更少的PCB面積并降低系統成本。

編輯：黃飛