如何选择仪表放大器（INA）？

仪表放大器是用于精确放大微弱差分信号的关键器件，尤其在噪声环境或需要高共模抑制比（CMRR）的场合。以下是选型核心要素：

1. 关键参数

• 增益范围与精度

  • 固定增益（如AD620）或可调增益（如AD623）。需确保增益误差（0.1%~1%）满足系统精度要求。
  • 公式：增益 ( G = 1 + \frac{50\text{k}\Omega}{R_G} )（典型结构），( R_G ) 需高精度电阻。

• 共模抑制比（CMRR）

  • 选择 >80 dB（低频），高频应用需关注CMRR随频率衰减曲线（例如：10 kHz时 >60 dB）。

• 输入失调电压（Vos）与温漂

  • 低 Vos（<50 μV）适用于微伏级信号（如热电偶）。
  • 温漂系数：<0.5 μV/°C（例如INA128）。

• 噪声性能

  • 输入电压噪声密度：<10 nV/√Hz（如INA333）。
  • 电流噪声：<1 pA/√Hz（对高阻传感器关键）。

• 带宽（BW）与压摆率

  • 信号频率 ≤ 0.5 × BW（避免增益下降）。例如：100 kHz信号需选BW >200 kHz的INA。

• 电源电压范围

  • 单电源：3V~5V（便携设备），双电源：±15V（工业设备）。
  • 注意：输出摆幅需在电源轨内（如轨到轨输出型号：LTC6910）。

2. 特殊应用需求

• 高精度医疗/测量：超低噪声、低失调（如AD8422）。
• 电池供电设备：低静态电流（<1 mA），如INA322。
• 高温环境：工作温度 ≥125°C（如AD8495）。
• 高压隔离：集成隔离功能的INA（如ADuM3190）。

3. 典型型号参考

使用注意事项

1. 布局与布线

• 减少热电动势：避免铜箔温差，使用镀金连接器。
• 星型接地：敏感电路单独接地线至电源点。
• 输入对称性：差分走线等长，包地屏蔽（guard ring）隔离噪声。

2. 外部元件选择

• 增益电阻 ( R_G )：选用0.1%精度金属膜电阻，靠近INA放置。
• 输入滤波：RC低通滤波（如10kΩ+1nF），截止频率需 >10倍信号频率。
• 参考端（REF）：低阻抗驱动（运放缓冲），避免电压波动。

3. 保护设计

• 输入过压保护：串联1kΩ电阻 + TVS/钳位二极管（如BAT54S）。
• 电源去耦：0.1μF陶瓷电容并联10μF钽电容（距电源引脚<5mm）。

4. 误差补偿

• 调零电路：失调电压较大时，可在REF端注入补偿电压。
• 温度校准：高精度系统需多点温漂补偿（软件或硬件）。

5. 测试验证

• CMRR测试：施加共模电压±10V，测量输出变化 ΔV，CMRR=20log(ΔVin/ΔVout)。
• 噪声测量：频谱仪分析50Hz工频干扰和宽带噪声。

典型问题与解决

• 问题：50Hz工频干扰 → 方案：增加输入屏蔽层 + 软件数字滤波。
• 问题：输出饱和 → 方案：检查输入共模电压是否超范围（需在电源轨内）。
• 问题：增益误差大 → 方案：更换低TCR电阻，避免 ( R_G ) 焊接散热不良。

通过结合理论参数与实战技巧，可显著提升测量系统的信噪比和长期稳定性。仪表放大器的本质是在噪声中提取真实信号的艺术——选型决定潜力，细节决定精度。 建议参考TI/ADI的应用笔记（如AN-245、AN-1142）深入理解设计细节。