仪表放大器关键参数深度解析：以TI INA128为例
仪表放大器关键参数深度解析：以TI INA128为例
仪表放大器在电子测量和信号处理中扮演着重要角色，其性能参数直接影响到系统的精度和稳定性。本文以TI的INA128芯片为例，详细解析了仪表放大器的关键参数，包括电源抑制比（PSRR）、共模抑制比（CMMR）、输入工作电压范围、输出电压摆幅、失调电流与偏置电流、失调电压、压摆率、噪声以及输入输出阻抗等。通过深入理解这些参数，工程师可以更好地选择和应用仪表放大器，优化系统设计。
1. 电源抑制比（PSRR）
如图所示，INA128在6kHz频率下的电源纹波正电源抑制比为60dB。这意味着，假设电源纹波为100mV，带入公式得出引入的输入噪声Vi为0.1mV，并且该噪声会被设定的放大倍数放大。
2. 共模抑制比（CMMR）
其中Ad为差模增益，Ac为共模增益。假设此时共模电压Vcm=13V，CMRR=100dB，Ad=G=10，可得此时Ac=0.0001，即Vcm到输入只有1.3mV。
如何增强共模抑制比
- 由CMRR公式可知，增大增益可增强共模抑制比，但抑制后的共模电压不变
- 共模抑制比随着频率增加而减小，如果有高频共模信号干扰可加入滤波
如图为AD8422手册里推荐的滤波网络，下面分别为共模信号和差模信号的截至频率，Cd>=10Cc,请注意：选择将把差分模式截止须率设定为比共模截止须率低10倍，这就防止了因元件公差所导致的共模噪声被转换为差分噪声。
3. 输入工作电压范围（Input Operating Voltage Range）
输入工作电压范围是共模信号加差模信号的范围值，即输入信号电压的范围值，一般ADI的芯片手册为该参数。如TI的INA128,假设单电源供电，-Vs=0V则需要输入信号的共模电压大于2V，否则不能正常工作或失真如下图。
4. 输出电压摆幅（Output Voltage Swing）
运放的输出电压并不能达到供电电源电压，当输出电压进入供电电源电压以下的一个区间时，运放的放大性能就开始下降，称最大不失真的输出电压为输出电压摆幅。而轨对轨运放相比普通运放失真的区间会比较小，但同样存在放大性能变差的问题。
如INA128的Output Voltage Swing。假设单电源5V供电，那么输出区间正常应该是1.4~3.6V。如上图，1.01V还勉强可以输出，但不在手册之中，设计时最好避免，下面那个是0.101V输出，就直接不能正常输出了。
5. 失调电流Ios与偏置电流Ib
偏置电流Ib为正反相流出或流入的电流平均值，即Ib=(Ib1+Ib2)/2。失调电流Ios=|Ib1-Ib2|。因为有偏置电流存在，所以一定要给偏置电流提供回流路径。因为Ib1≠Ib2，所以失调电流一定存在，那么如果源阻抗过大，如1MΩ，则1nA的Ios会在输入端产生1mV的差模信号，如果源阻抗不匹配，即Ib1和Ib2回流路径阻抗不一致，会增大产生的差模噪声。
6. 失调电压Vos
仪表放大器与运算放大器的失调电压有所不同。仪表放大器的失调电压分为输入失调电压Vosi,和输出失调电压Voso。下图为INA821的Vos。折合到输入的总偏置电压Vos_RTI = (Vosi) + (Voso / G)。折合到输出的总偏置电压Vos_RTO= (VosiG) + (Voso)。如图G=1，则Vos_RTO= (10uV1) + (50uV)=60uV。G=100，则Vos_RTO= (10uV*100) + (50uV)=1050uV。
7. 压摆率SR
因为输出信号是不可能完全跟随输出信号突变的，压摆率反映仪放输出电压瞬间变化的能力，在放大交流信号时要考虑此参数。下图为INA128的压摆率。
8. 噪声
该噪声为仪表放大器自带噪声，而非信号附带噪声，不可被输入端的滤波网络滤去。噪声分为输入噪声eNI和输出噪声eNO，下图为INA828的噪声，一般噪声都给出在特定频率下噪声和频率的关系，如为7nV每根号下Hz，还会给出在一定频率范围内噪声的峰峰值。
还有的芯片手册给出将输出噪声和输入噪声按向量和的形式叠加在一起的eN，如下图为INA128手册给出的噪声。即与失调电压相似，输入噪声会跟随信号一起放大，从RTO的公式可看出，估计输出信号中噪声可用RTI noise*G得出。
如何优化噪声
由上面俩公式可知，增加增益可弱化eNO带来的影响。假设某一频率下eNO=1uV，eNI=0.7uV。G=1时：RTI noise=1.22uV。G=100时：RTI noise=0.7007uV。由此可见等效输入噪声被抑制到无限接近eNI。
9. 输入阻抗，输出阻抗
仪表放大器放大器的输入阻抗分为共模输入阻抗Zic和差模输入阻抗Zid。如下芯片手册给出的Zid为100GΩ并上1pF。仪放输出阻抗很小，一般为1Ω左右。