如何根据仪表的整体精度来选择运算放大器

AD620B SPECS @ +25°C, ±15V

VOSI+ VOSO/G = 55µV max，这就是指折合到输入端总的输入失调电压。

IOS= 0.5nA max，这就是指输入失调电流。

Gain Error = 0.15%

Gain Nonlinearity = 40ppm，

0.1Hz to 10Hz Noise = 280nVp-p

CMR = 120dB @ 60Hz，

有以下已知条件：

输入信号的满度值是100mv,

传感器电桥的等效电阻是350欧，

设定AD620的放大倍数到100，

输入的共模电压是5V，

It is important to understand in-amp error sources in a typical application. Figure 1 below shows a 350 Ω load cell with a fullscale output of 100 mV when excited with a 10 V source. The AD620 is configured for a gain of 100 using the external 499 Ω gain-setting resistor.

The table shows how each error source contributes to a total unadjusted error of 2145 ppm. Note however that the gain, offset, and CMR errors can all be removed with a system calibration （通过校准和软件补偿来解决）！！！The remaining errors—gain nonlinearity and 0.1 Hz to 10 Hz noise cannot be removed with calibration and ultimately limit the system resolution to
42.8 ppm (approximately 14-bit accuracy). This example is of course just an illustration, but should be useful towards the importance of addressing performance-limiting errors such as gain nonlinearity and LF noise. （它这个讲解还是比较清晰地。）

以下的计算好像都是对输入端而言：

（一般都规定误差是折合到输入端(RTI)，通过将所有误差折合到输入端(这也是通常做法)，可方便地对误差大小和输入信号大小进行比较。）

1. VOS 55µV ÷ 100mV 550ppm，

是看它这项误差在整个输入信号幅度里占多少吧？

2. IOS 350Ω × 0.5nA ÷ 100mV 1.8ppm，

3. Gain Error 0.15% 1500ppm，

4. CMR Error 120dB

1ppm × 5V ÷ 100mV 50ppm，

如何得到的，（见下面的解释，）

5. Gain Nonlinearity 40ppm 40ppm，

6. 0.1Hz to 10Hz 1/f Noise 280nV ÷ 100mV 2.8ppm，

它讲了，这二项误差是无法消除的。

7. Resolution Error ≈ 14 Bits Accurate 42.8ppm，

这二项误差对精度的贡献是42.8ppm， (14位的精度是61.0ppm,)

8. Total Unadjusted Error ≈ 9 Bits Accurate 2144.6ppm，

它还不足9位精度，( 9位的精度是1953.1ppm,)

第四项的算法是：

根据这个公式：CMRR = 20log（V_cm/V_{cm_diff} ），

它是指在放大器输入端处共模电压V_cm在输入端所产生的对应的等价差模电压V_{cm_diff}。
则：V_{cm_diff =} 1ppm × 5V，再看它在输入信号中占多大比例。就是它对误差的贡献有多大？？这就是第四项的计算依据，（这样看来，它的影响不是很大啊。还没有输入失调电压的影响大啊）

以上摘要使我们对运算放大器和仪表放大器的性能指标和它们对整机误差的贡献有了一个基本的了解。这就是说，要根据这些原则来选择器件。

看来主要误差源为静态误差(如失调电压等)。在很多应用中可采用某种校准方式来消除此类误差。

如果再辅以某些温度测量修正算法，可用来补偿静态误差的漂移。

但对仪表放大器中非线性度和噪声导致的分辨率误差进行补偿，则难度很大。

失调电流和偏置电流对精度的影响：

偏置电流进出于仪表放大器的输入端。这些通常就是npn或pnp晶体管的基极电流。因此，对于特定类型的仪表放大器，这些小电流有着明确的极性。当偏置电流通过源阻抗时，会产生电压误差。偏置电流乘以源阻抗结果得到一个小直流电压，与输入失调电压呈串联关系。但是，如果仪表放大器的两个输入端均以同一源阻抗为参照，则相等的偏置电流会产生一个小共模输入电压(通常为μV信号)，具备相应共模抑制功能的任何器件均可较好地抑制这种电压。如果仪表放大器的反相和同相输入端的源阻抗不等，那么误差会更大，其大小为偏置电流乘以源阻抗差。

另外，我们还需考虑失调电流，即两个偏置电流之差。这种差异将产生一个等于失调电流与源阻抗之积的失调误差。

对运算放大器及仪表放大器的选取原则如下（主要指精度方面）：

1. 输入失调电压：

这个指标涉及到仪表的“灵敏度”，即“输入失调电压”造成的后果是：
最小的输入信号电压是多少时？仪表放大器才会有真正的输出信号。

另外，还要注意仪表放大器的指标和后续A/D的位数匹配是否满足精度的要求。

以下摘自TI公司的SLAA064文献：

Table 1 shows the minimum resolvable potential difference (magnitude of the

LSB) of A/D converters. If, for example, 12-bit precision is required in a 3-V

system, then a change of the LSB corresponds to a voltage change of 0.73 mV.

An op amp having an input offset voltage of 1 mV and an amplification factor of

1 already exceeds the acceptable error resulting from the resolution of the LSB.

Table 1. Resolution of an A/D Converter

BITS STEPS RESOLUTION AT RESOLUTION AT RESOLUTION IN %

VCC = 5 V VCC = 3 V

10 1024 4.88 mV 2.93 mV 0.098

12 4096 1.22 mV 0.73 mV 0.024，

the gain, offset, and CMR errors can all be removed with a system calibration （通过校准和软件补偿来解决）！！！

3. 共模抑制

　　仪表放大器将两个信号的差值放大。典型的差模信号来自传感器件，例如电阻桥或热电偶。来自电阻桥的差模电压被 AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器）放大。在热电偶和电阻桥的应用中，差模电压总是相当小（几毫伏到十几毫伏）。而两个输入端输入的同极性、同幅值的电压一般都比较大，量级都在伏级，这就是：对测量无用的共模分量，所以理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量都必须被抑制。事实上，抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。（这句话是我抄来的，我倒是有点异议，那差分信号变成单端信号怎么变呢？？）

实际上，我们关心的是：“在放大器输入端处共模电压V_cm在输入端所产生的对应的等价差模电压V_{cm_diff} “ 对仪表精度有多大影响。

如果共模电压较大时，相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。如果共模电压为5V，则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上，否则不能使用仪表放大器作为前置信号放大级。其主要原因是仪表放大器的内部运放容易饱和。

4. 温度漂移的影响：

结合你的仪表要求去考虑。

如果是低功耗设计，还要考虑仪表放大器是否有可关断的控制管脚等等。

解决问题时，需要提取焦点的“ 差异“ ，从而找出解决问题的钥匙。

补充知识：

对于弱信号比较理想的选择是采用多级放大的方式，尽量避免使用放大器的高增益段。因为放大倍数太大，会带来增益误差，在某些情况下，甚至造成增益的不稳定，从而影响测量精度。

另一个因素是：

As gain isincreased, the offset drift of the input stage becomes the dominant source of offset error.

有关的公式如下：

Total Error, RTI = Input Error + (Output Error/Gain)

Total Error, RTO = (Gain * Input Error) + Output Error，

2. 仪表放大器“增益调整电阻“的温度系数也是一个需要考虑的问题，请看下面的解释：

Even when a 1%，100 ppm/℃ resistor is used, the gain accuracy of the in-amp will be degraded. The resistor’s initial room temperature accuracy is only 1%, and the resistor will drift another 0.01% (100 ppm/℃) for every ℃ change in temperature. The initial gain error can easily be subtracted out in software, but to correct for the error vs temperature, frequent recalibrations (and a temperature sensor) would be required. If the circuit is calibrated initially, the overall gain accuracy is reduced to approximately 10 bits (0.1%) accuracy for a 10℃ change. An in-amp with a standard 1% metal film gain resistor should never be used ahead of even a 12-bit converter: It would destroy the accuracy of a 14-bit or 16-bit converter. 看来，这个问题也很严重啊。

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