智能设计突破传统仪表放大器的性能缺陷

仪表放大器的作用是在出现较大共模电压时放大较小信号，与此同时仪表放大器还需要抑制这些共模电压。正如其通称一样，仪表放大器广泛应用于各类不同的市场，从马达控制、热偶和桥式传感器到电流传感和医疗仪表应用（如ECG和EEG）。

仪表放大器经历了漫长的发展过程，最初是采用双运算和三运算放大器（简称运放）的传统仪表放大器，或者是简单的差动差分放大器(DDA)。它们具有不同的拓朴结构，用于满足来自各种不同应用领域的广泛需求。

传统的仪表放大器以双极和JFET工艺为设计基础，可提供宽广的动态范围和良好的信噪比。如今，几乎在所有应用和数据转换器中都使用低电压对信号进行数字化处理，这使得CMOS工艺在仪表放大器领域有了较大的发展和改进。

基于CMOS工艺的仪表放大器，具有同等双极和JFET仪表放大器所无法比拟的优点。与双极输入设备相比，CMOS仪表放大器的输入偏置电流非常低，因此容易与单芯片逻辑功能结合以连接ADC。虽然如此，它们也有不足之处。其中一个主要缺点就是与CMOS关联产生的噪声问题，它通常比双极放大器的噪声高很多，特别是处于由闪烁噪声或1/f噪声控制的低频范围内。

然而智能设计可以解决这类问题并提供噪声、功耗和速度的最佳组合，以实现最优选择。克服该缺点的一种方法是将CMOS仪表放大器与斩波和自动归零之类的动态偏移补偿技术相结合。

自归零与斩波的区别

斩波与自动归零的一个重要区别在于：斩波是调制技术，它会产生大量斩波频率的斩波器噪声；而自动归零是采样技术，它能通过重叠噪声来增强可观察到的低频噪声。将这两种技术相结合的优势在于：通过对放大器进行斩波，可将与自动归零关联的增强低频噪声调制为较高的频率，而自动归零则可降低与斩波关联的斩波器噪声。

具有这种组合拓朴结构的典型例子是美国国家半导体的LMP8358仪表放大器（图1），它能通过SPI兼容串行接口或平行模式，在增益设置（从10到1000）之间进行无低频干扰的转换。但是，由于自动归零和斩波技术会留有少量纹波，因此在将放大器与高分辨率数据转换器连接时，不妨考虑使用有源滤波进行抗混叠滤波。

图 1：业界首款具有单芯片诊断功能的零漂移可编程仪表放大器.

将斩波放大器与自动归零相结合，在需要高精确度、低噪声和高增益的应用领域中具有极大的优势。例如，在广泛使用的应变电桥中，必须以较小的满量程电压放大较小差分信号。仪表放大器的低偏移电压和低电压噪声对总误差影响非常小，有助于确保系统的精确度。

高开环增益有助于保持较低的增益误差，从而允许在传感器的前端接口中使用仪表放大器，而无需在后续阶段使用昂贵的精密放大器。

满足不同需求的不同拓朴结构

仪表放大器的内部架构各不相同，具体取决于仪表放大器的最终应用目标和预定用途。每种架构相对于其它架构而言都有各自的优缺点。例如，传统三运放仪表放大器会限制共模电压范围，因此不适合接地传感应用。而且其共模抑制比(CMRR)受电阻器匹配要求限制。

另一方面，电流反馈拓朴结构提供与电阻器未匹配无关的CMRR，它可以具备接地传感功能，而无需增加可能会产生大量噪声的电荷泵。结合了自动归零和斩波技术的电流反馈拓朴结构（例如LMP8358中包含的拓朴结构），在需要进行精确测量的应用领域具有极多优势。例如，EEG或脑电描记器（脑波活动检测）需要进行至关重要的测量，特别是在生命受到威胁时（图2）。在此类应用中，需要使用高分辨率数据转换器以极低的频率和数字化方式来放大、调整和处理非常小的信号。较低的噪声层对分辨率的影响较小，并可提供更高的位计数，最终获得更清晰的条件信号。

小结：

随着电子系统中对自动化的需求不断增加，工程师希望IC可提供以往通过外部电路才能实现的功能。如今，由于人们经常在近距离内使用多个电子系统而产生严重的干扰问题，因此工程师要想获得预期结果，将会面临许多严峻的挑战。工艺控制中的各个工厂车间和医院的手术室，就是在相同地点通常也是相同时间内使用大量仪表的典型区域。从双向无线电到医生的寻呼机再到无处不在的便携式电话，电子系统的存在会产生无法预料的异常状况。

通过增加额外的电路或选择适当器件等方式来采取预防性措施，即可解决此类问题并防患于未然。为了解决这些干扰问题，LMP8358 包含了EMI抑制滤波器，可抑制高达60dB的RF干扰，同时还能通过可编程的带宽保持仅为27nV/√Hz的噪声层。用户还可以通过检测意外短路的输入、降级的来源或与任一电源短路的输入来诊断系统，并可通过SPI接口或平行模式进行灵活的编程。芯片的DC规格使其成为适用于跨大范围应用领域进行精确测量的解决方案。

图 2：EEG 因自动归零和斩波仪表放大器的低频噪声而受益.

作者：Soufiane Bendaoud

美国国家半导体

本文来自电子工程专辑杂志9月刊，拒绝转载