單片儀表放大器
為了滿足對更容易應用的儀表放大器的需求，adi公司研發出單片ic儀表放大器。這些ic包含對如前所述的三運放和雙運放儀表放大器電路的改進，同時提供雷射微調的電阻器和其它有益於單片ic的技術。由於有源器件和無源器件現在都在同一顆管芯內，所以它們能夠精密匹配——這保證了器件提供高cmr。
另外，這些器件在整個溫度範圍內保持匹配，從而保證了在寬溫度範圍內優良的效能。
ic技術（例如，雷射晶圓微調）能夠使單片積體電路調整到極高精度並且提供低成本、高量產。單片儀表放大器的另乙個優點是它們可以採用尺寸極小、成本極低的soic或msop封裝，適合用於高量產。表1提供乙個adi公司儀表放大器效能快速一覽表。
圖1. ad8221原理圖
一、採用儀表放大器還是差分放大器
儘管儀表放大器和差分放大器有很多共性，但設計過程的第一步應當是選擇使用何種型別的放大器。
差分放大器本質上是乙個運放減法器，通常使用大阻值輸入電阻器。電阻器通過限制放大器的輸入電流提供保護。它們還將輸入共模電壓和差分電壓減小到可被內部減法放大器處理的範圍。
總之，差分放大器應當用於共模電壓或瞬態電壓可能會超過電源電壓的應用中。
與差分放大器相比，儀表放大器通常是帶有兩個輸入緩衝放大器的運放減法器。當總輸入共模電壓加上輸入差分電壓（包括瞬態電壓）小於電源電壓時，應當使用儀表放大器。在最高精度、最高訊雜比（snr）和最低輸入偏置電流（ib）是至關重要的應用中，也需要使用儀表放大器。
二、單片儀表放大器內部描述
1、高效能儀表放大器
adi公司於2023年推出了第一款高效能單片儀表放大器ad520，2023年推出ad8221。這款儀表放大器採用超小型msop封裝並且在高於其它同類儀表放大器的頻寬內提供增加的cmr。它還比工業標準ad620系列儀表放大器有很多關鍵的效能提高。
圖2. ad8221的引腳排列
ad8221是一種基於傳統的三運放結構的單片儀表放大器（見圖1）。輸入三極體q1和q2在恆定的電流條件下被偏置以便任何差分輸入訊號都使a1和a2的輸出電壓相等。施加到輸入端的訊號產生乙個通過rg、r1和r2的電流以便a1和a2的輸出提供正確的電壓。
從電路結構上，q1、a1、r1和q2、a2、r2可視為精密電流反饋放大器。放大的差分訊號和共模訊號施加到差分放大器a3，它抑制共模電壓，但會處理差分電壓。差分放大器具有低輸出失調電壓和低輸出失調電壓漂移。
經過雷射微調的電阻器允許高精密儀表放大器具有增益誤差典型值小於20ppm並且cmr超過90db（g=1）。
圖3. ad8221的cmr與頻率的關係
圖4. ad8221的閉環增益與頻率的關係
圖5. ad620原理圖
圖6. ad620的閉環增益與頻率的關係
ad8221使用超β輸入三極體和乙個ib補償電路，它可提供極高的輸入阻抗，低ib，低失調電流（ios），低ib漂移，低輸入ib雜訊，以及8nv/（hz）1/2極低電壓雜訊。
ad8221的增益公式為∶
ad8221採用精心設計以保證使用者能夠使用一蘋外部的標準阻值的電阻器很容易和精確地設定增益。
由於ad8221的輸入放大器採用電流反饋結構，所以它的增益頻寬乘積可以隨增益提高，從而構成乙個在提高增益時沒有電壓反饋結構的頻寬降低的系統。
為了甚至在低輸入訊號幅度條件下也能保持精密度，對ad8221的設計和佈線採用了特別細心的考慮，因而能使儀表放大器的效能滿足甚至要求最嚴格的應用（見圖3和圖4）。
ad8221採用獨特的引腳排列使其達到無與倫比的cmr技術指標，在10khz（g = 1）條件下為80db，在1khz（g = 1000）條件下為110db。平衡的引腳排列，如圖2所示，減少了過去對cmr效能有不利影響的寄生效應。另外，新的引腳排列簡化了pcb佈線，因為相關的印製線都分組靠近在一起。
例如，增益設定電阻器引腳與輸入引腳相鄰，並且參考腳靠近輸出引腳。
多年來，ad620已經成為工業標準的高效能、低成本的儀表放大器。ad620是一種完整的單片儀表放大器，提供8引腳dip和soic兩種封裝。使用者使用一蘋外部電阻器可以設定從1到1,000任何要求的增益。
按照設計要求，增益10和100需要的電阻值是標準的1%金屬膜電阻值。
ad620（見圖5）是傳統ad524儀表放大器的第二代產品並且包含乙個改進的傳統三運放電路。經過雷射微調的片內薄膜電阻器r1和r2，允許使用者僅使用一蘋外部電阻器便可將增益精確設定到100，最大誤差在±0.3%之內。
單片結構和雷射晶圓微調允許電路元器件的精密匹配和跟蹤。
圖7. ad620的cmr與頻率的關係
圖8. ad620的增益非線性(g=100, rl=10kω,垂直刻度: 100μv=10ppm, 水平刻度2v/div)
圖9. ad620的小訊號脈衝響應(g=10，rl=2kω，cl=100pf)
圖10. ad621原理圖
由q1和q2構成的前置放大器級提供附加的增益前端。通過q1-a1-r1環路和q2-a2-r2環路反饋使通過輸入器件q1和q2的集電極電流保持恆定，由此使輸入電壓加在外部增益設定電阻器rg的兩端。這就產生乙個從輸入到a1/a2輸出的差分增益g，g=（r1＋r2）/rg＋1。
單元增益減法器a3消除了任何共模訊號，並產生乙個相對於ref引腳電位的單端輸出。
rg的值還決定前置放大器級的跨導。為了提供增益而減小rg時，前置放大器級的跨導逐漸增加到相應輸入三極體的跨導。這有三個主要優點。
第一，隨著設定增益增加，開環增益也隨著增加，從而降低了增益相對誤差。第二，（由c1、c2和前置放大器跨導決定的）增益頻寬乘積隨著設定的增益一起增加，因而優化了放大器的頻率響應。圖6示出ad620的閉環增益與頻率的關係。
ad620還在寬頻率範圍內具有優良的cmr，如圖7所示。圖8和圖9分別示出ad620的增益非線性和小訊號脈衝響應。
第三，輸入電壓雜訊減少到9nv（hz）1/2，主要由輸入器件的集電極電流和基極電阻決定的。
內部增益電阻器r1和r2的阻值已經調整到24.7kω，從而允許只利用一蘋外部電阻器便可精確地設定增益。增益公式為∶
這 ，電阻器rg以kω為單位。
選擇24.7kω阻值是以便於可使用標準1%電阻器設定最常用的增益。
ad621與ad620類似，只是設定10和100倍增益的增益電阻器已經整合在晶元內——無需使用外部電阻器。選擇100倍增益只需要乙個外部跨接線（在引腳1和8之間）。對於10倍增益，斷開引腳1和引腳8。
它在規定溫度範圍內提供優良的增益穩定性，因為片內增益電阻跟蹤反饋電阻的溫度係數（tc）。圖10是ad621的原理圖。ad621具有0.
15%最大總增益誤差和±5ppm/℃增益漂移，它比ad620的片內精度高出許多。
圖11. ad621的cmr與頻率的關係
圖12. ad621的閉環增益與頻率的關係
ad621也可使用一蘋外部增益電阻設定在10和100之間的增益，但增益誤差和增益溫度漂移會變壞。使用外部電阻器設定增益公式為∶ g=（r1＋r2）/rg+1
圖11和圖12分別示出ad621的cmr與頻率的關係以及閉環增益與頻率的關係。圖13和圖14分別示出ad621的增益非線性和小訊號脈衝響應。
圖13. ad621的增益非線性(g=10, rl=10kω，垂直刻度∶100μv/div=100ppm/div，水平刻度2v/div)
圖14. ad621的小訊號脈衝響應(g=10，rl=2kω，cl=100pf)
圖15. ad8225原理圖
2、固定增益儀表放大器
ad8225是一種增益為5的精密單片儀表放大器。圖15示出它是乙個三運放儀表放大器。單位增益輸入緩衝器由超βnpn三極體q1和q2以及運放a1和a2組成。
這些三極體被補償以使它們的輸入偏置電流極低，典型值為100pa或更低。因此，電流雜訊也很低，僅50fa/（hz）1/2。輸入緩衝器驅動一蘋增益為5的差分放大器。
因為3kω和15kω電阻是比率匹配的，所以增益穩定性在額定溫度範圍內優於5ppm/℃。
與通常的可變增益儀表放大器的單位增益補償相比，ad8225具有寬增益頻寬乘積，由於它被補償到5 倍固定增益。ad8225創新的引腳排列也提高了高頻效能。由於引腳1和8未用，所以引腳1可連線到引腳4。
由於引腳4也是ac接地，所以平衡了引腳2和3上的寄生電容。
3、低成本儀表放大器
ad622是ad620的低成本版本（見圖5）。ad622採用改進的生產方法以便以較低成本提供ad620的大多數效能。圖18、圖19和圖20分別示出ad622的cmr與頻率的關係，增益非線性以及閉環增益與頻率的關係。
圖16. ad8225的cmr與頻率的關係
圖17. ad8225的增益非線性
圖18. ad622的cmr與頻率的關係(rti，0~1kω源阻抗不平衡)
圖19. ad622的增益非線性(g=1，rl=10kω；垂直刻度∶2μv=2ppm)
圖20. ad622的閉環增益與頻率的關係
圖21. ad623原理圖
4、單電源儀表放大器
單電源儀表放大器有一些特殊的設計問題需要解決。輸入級必須能夠放大處於接地電位（或非常接近接地電位）的訊號，並且輸出級擺幅要能夠接近地電位或電源電壓，即高於地電位或低於電源電壓幾個毫伏（mv）。低電源電流也很重要。
並且，當儀表放大器工作在低電源電壓時，它需要有足夠的增益頻寬乘積、低失調電壓漂移和優良的cmr與增益以及cmr與頻率的關係。
ad623是一種在三運放儀表放大器電路基礎上經過改進的儀表放大器以保證單電源或雙電源工作，甚至能工作在共模電壓或者低於負電源電壓（或單電源工作時，低於接地電位）。其它特點包括r-r輸出電壓擺幅，低電源電流，超小型封裝，低輸入和輸出失調電壓，μv級dc失調電壓漂移，高cmr，以及僅用一蘋外部電阻器設定增益。
如圖21所示，輸入訊號施加到pnp三極體作為電壓緩衝器和dc電平移位器。在每個放大器（a1和a2）反饋路徑中採用一蘋精度調整到0.1%以內的50kω電阻器保證精確的增益設定。
差分輸出為∶
這 rg以kω為單位。
使用輸出差分放大器，將差分電壓轉換為單端電壓，也抑制了輸入放大器輸出端上的任何共模訊號。
由於上述所有放大器的擺幅都能達到電源電壓的任一端，並且它們的共模範圍擴充套件到負電源電壓以下，因而進一步提高了ad623的擺幅範圍。
應當注意，不像雙電源輸入電流補償的儀表放大器（例如，ad620），q1和q2的基極電流直接流出輸入端。由於這兩個輸入端（即q1和q2的基極）可工作在接地電位（即，0v或更準確的說，低於接地電位200mv），所以為ad623提供輸入電流補償是不可能的。但是，ad623的輸入偏置電流仍非常小∶最大值僅25na。
圖22. ad623的閉環增益與頻率的關係
圖23. ad623的cmr與頻率的關係(vs=±5v)
圖24. ad623的增益非線性(g=-10,50ppm/div)
圖25. ad623的小訊號脈衝響應(g=10，rl=10kω，cl=100pf)
圖26. ad627原理圖