????如果問及儀表放大器名稱的由來，似乎唯一解釋就是：其對共模信號抑制及高精度的性能恰恰適于工業(yè)儀表應(yīng)用。但不僅如此，德州儀器此次推出儀表放大器INA333的歷史，更可追溯到50多年前。
早在1954年，美國專利“穩(wěn)定直流放大器”就已經(jīng)擁有了斬波" title="斬波">斬波放大器的雛形，但當(dāng)時很多產(chǎn)品還只是分立器件。
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所謂“斬波”來源于英文chopper，是“斷路”的意思，其本質(zhì)就是開關(guān)。而繼而發(fā)展的斬波運(yùn)算放大器脫離了傳統(tǒng)放大器結(jié)構(gòu)，將放大器數(shù)目增加到了4個，同時在其內(nèi)部有一個模擬開關(guān)，是兩相時鐘，在放大器輸入端針對不同時鐘進(jìn)行切換，這樣就消除了正端和負(fù)端的不匹配性，可以降低溫漂" title="溫漂">溫漂。從整個輸入端和輸出端來看，整體性能得到很大提高。
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“斬波”之后
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但“斬波放大器早已過時，”德州儀器高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理宋浩然對電子工程世界如是說。那么，在斬波放大器之后，我們究竟期待著什么樣的技術(shù)？
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誠然，傳統(tǒng)斬波運(yùn)算放大器提高了性能和溫漂穩(wěn)定性，但在頻率上會產(chǎn)生奇次諧波的干擾。而德州儀器此次推出的最新儀表放大器INA333正是改善了上述原因帶來的不良影響，通過使用開關(guān)電容代替了傳統(tǒng)放大器中簡單開關(guān)模型，從而形成陷波濾波器。圖中藍(lán)色是濾波器曲線，因為與其內(nèi)部時鐘同步，其毛刺比如1倍、3倍、5倍、7倍頻率正好和陷波濾波器點同頻。一般在fc上噪音比較大，濾波器正好可以把這一點的幅度降低。藍(lán)色部分和紅色部分是相乘的關(guān)系，相乘的結(jié)果會造成諧波抑制，從輸入端口和輸出端口看，就表現(xiàn)出這些噪音沒有了。也就是說，這種同步陷波濾波器技術(shù)在在保證溫漂變小的同時，把傳統(tǒng)放大器不利影響濾除掉了。
同時，在應(yīng)用過程中，同步陷波濾波器在相應(yīng)階段的射頻或者外部干擾，也會被濾波器抑制。
此前，德州儀器在同步陷波濾波器技術(shù)基礎(chǔ)上也開發(fā)了幾款產(chǎn)品，如OPA333、INA210等。OPA333失調(diào)電壓" title="失調(diào)電壓">失調(diào)電壓為0.01微伏、溫漂為0.01微伏每度、帶寬為350kHz，典型靜態(tài)電流為0.025毫安，供電最低可為1.8V，非常適合為手持和電池供電。而INA210的失調(diào)電壓為35微伏、溫漂為0.5微伏每度、帶寬為14kHz、供電最低為2.7V。與前兩款產(chǎn)品不同，INA333失調(diào)電壓為25微伏、帶寬150kHz。通常2.7V供電電壓在業(yè)界已經(jīng)算比較低，但I(xiàn)NA333的供電電壓可達(dá)1.8V，且為軌對軌地輸入、輸出，據(jù)宋浩然介紹，該器件將在2008年7月發(fā)布樣片。
通常，德州儀器產(chǎn)品中，名稱以O(shè)PA開頭的器件是運(yùn)算放大器，比如OPA333。而儀表放大器如INA333，其內(nèi)部實際有三個放大器，且應(yīng)用場合和通用放大器有一些區(qū)別：通用放大器比較靈活，輸入、輸出可以靈活使用，而儀表放大器幾乎把輸入和輸出基本確定。
儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其輸入偏置電流也應(yīng)很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運(yùn)算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。
運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，它與其信號輸入端隔離 。對儀表放大器的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益既可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳連接一個內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離。
也可以這樣理解：儀表放大器是三顆放大器加一些電阻集成的放大器。而采用三顆放大器組合而成的INA333，正是將噪聲、Vos漂移、Ib、Vos、Iq等指標(biāo)集于一身，是“整體優(yōu)勢最理想的器件”。三顆運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的儀表放大器所帶來的好處是顯而易見的：
首先INA333主要用在共模信號較高、而有用信號較小的情況下，在此基礎(chǔ)上，只要通過外部電阻就可以調(diào)節(jié)整個放大器的增益。同時因為儀表放大器的電阻都集成在內(nèi)部，所以制造工藝比較接近，而且電阻均由同種材料制成，所以其溫漂大小非常接近。同時，由于儀表放大器的輸入阻抗非常高，會對射頻干擾非常敏感，從而產(chǎn)生失調(diào)電壓，所以INA333內(nèi)部又加入了射頻濾波器。其中，INA333的性能中最關(guān)鍵的就是低噪聲和低功率，在產(chǎn)品功耗很大的情況下，噪聲非常小。
據(jù)宋浩然介紹，該產(chǎn)品最大失調(diào)電壓為25微伏、失調(diào)電壓漂移是0.1微伏每度，如果產(chǎn)品工作在-40攝氏度到125攝氏度，其工作溫度就會在160攝氏度，該數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常溫范圍，所以溫漂的指標(biāo)就非常關(guān)鍵。慣常的概念認(rèn)為，如果功耗比較低，噪聲就會提高。實際上，INA333有非常好的噪聲和功率比，如果電流為75微安、噪音則為50納伏，目前封裝是MSOP-8。
此外，INA333采用了德州儀器的HPA07工藝，該工藝主要是高精度工藝，此外，德州儀器的主打產(chǎn)品還有高速度工藝BiCom3、高功率工藝LBC和高密度工藝AO35，不同的工藝有不同產(chǎn)品類型，而且性能不斷增強(qiáng)，包括高壓擴(kuò)展和工藝集成。
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瞄準(zhǔn)便攜醫(yī)療
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那么，這樣一款產(chǎn)品，與已有的OPA333和INA210的應(yīng)用領(lǐng)域是否有重合呢？這恐怕是盤桓在大多數(shù)人頭腦中的疑問。
“INA333主要用在便攜式醫(yī)療設(shè)備當(dāng)、手持式儀表、數(shù)據(jù)采集以及稱重" title="稱重">稱重天平等領(lǐng)域，”宋浩然說。
比如醫(yī)療電子中的便攜式心電圖（ECG）系統(tǒng)，心臟的信號會經(jīng)過導(dǎo)線進(jìn)入產(chǎn)品，通過信號處理，同時因為每個人共模電壓不盡相同，且這個共模電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心臟產(chǎn)生的電壓（幾十毫伏），同時工作電壓也高達(dá)幾十伏，那么，如何將心臟產(chǎn)生的電壓采集出來，也就將問題拋給了儀表放大器。儀表放大器會將共模信號去掉，提取有用信號。所以在ECG電路系統(tǒng)最前端要增加一顆儀表放大器。而且當(dāng)心電圖測試系統(tǒng)越來越小、電源也越來越低，INA333功耗小、噪聲小的優(yōu)勢也就更加顯現(xiàn)。
此外，稱重天平或橋接傳感器也是INA333的另外一個應(yīng)用目標(biāo)市場。稱重天平一般會有兩路，一路沒有增益、一路將信號放大，然后進(jìn)行采集。但由于傳感器輸出阻抗一般非常小，只有幾百歐姆或幾千歐姆，它對電路放大要求的輸入指標(biāo)非常高，所以也需要儀表放大器。在整個系統(tǒng)中，隨著溫度漂移產(chǎn)生很多的噪聲，而稱重天平對噪聲的要求也是比較高的，如低噪聲、低溫漂等，所以INA333也非常適合在這個產(chǎn)品中應(yīng)用。此外，稱重天平的手持化發(fā)展，從而使得INA333的低功耗特性也擁有一定空間。
縱觀半導(dǎo)體行業(yè)的信號鏈，現(xiàn)實世界中的溫度、壓力、濕度、速度、流量，聲音等真實存在的物理量，即模擬信號，要經(jīng)過數(shù)字化處理，其中包括各式各樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、各式各樣的數(shù)字信號處理器以及不可或缺電源管理芯片。其中，放大器基本處于信號鏈的最前端，實施對模擬信號的處理。
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據(jù)Databeans統(tǒng)計，放大器市場在2008年已經(jīng)超過25億美元，而且全球市場預(yù)計將以每年8%的速度增長。那么這款總體性能更好的儀表放大器究竟能否在蓬勃發(fā)展的市場中達(dá)成既定的目標(biāo)，且讓我們繼續(xù)關(guān)注其之后的表現(xiàn)。