集成电路原理及应用课程设计报告
题 目 精密仪用放大器INA331原理及应用 授课教师 刘安平 学生姓名 Joecindy 学 号 Q423810368 专 业 电子信息工程 教学单位 物理系 完成时间 2011年6月24日
摘要：
共分为五个部分：引言、 本篇文章对仪用放大器INA331进行了简单的介绍。
INA331的基本结构及原理、INA331的基本应用、基于应用的设计、总结。
其中引言部分简要的概括了精密仪用放大器INA331的基本性能和应用，第
二章对INA331芯片的内部构造和参数以及工作原理进行了仔细的分析，第三章对INA331的各种应用参数的调整及基本应用进行了论述，第四章对基于INA331的一些简单设计进行了举例。文章最后附带参考书目及文献。
第一章 引言
INA331的输出，低功耗CMOS仪表放大器，提供种类繁多，单电源工作，以及双极电源供电。INA331系列提供一个低的415μA静态电流（停机时降至0.01μA），低成本，低噪声的差分信号放大。选举在微秒之内的正常运行，这INA可用于电池或多通道应用。在内部配置的5V / V，获得更高的收益INA331提供灵活选择的外部电阻。INA331拒绝线路噪声和谐波，因为共模误差仍然很低，即使在更高的频率。高带宽和压摆率使得直接驱动采样模数（A/ D）转换器以及一般用途的应用。
第二章 INA331结构原理及特点
一、特性
1、高增益精度：G= 5，0.02％，为2ppm/C 2、增益设置分机。电阻器> 5V/ V 3、低失调电压：250V
4、低偏置电流：0.5pA
5、带宽，压摆率：2.0MHz，5V/s 6、轨到轨输出摆幅：（V+） - 0.02V 7、宽温度范围：-55℃至125℃ 8、低静态电流：最高490μA 二、应用
1、工业传感器放大器：桥，RTD，热电偶，位置 2、生理放大器：心电图，脑电图，肌电图
3、A / D转换器的信号调理电路 4、差分线路接收器增益 5、现场电表 6、PCMCIA卡 7、音频放大器 8、通信系统 9、测试设备 10、汽车仪表 三、结构原理图
INA331结构原理图如图1所示：
图1结构原理图
如图所示为INA331的信号和电源的基本连接电路。在噪声环境或高阻电源应用时，芯片电源端要用0．1μF的电容滤波，且应尽可能靠近芯片电源脚放置。输出电压以REF端为基准，REF端必须至少低于正电源电压1．2V。INA331／332的内部增益设置为5，若需要另设增益值，可在1、5脚之间和1、6脚之间分别接R1和R2来设置增益。增益与R1、R2的选择见下表，增益G=5+5R2／R1。外部增益设置电阻的选用对增益误差和增益漂移影响很大，应选用稳定性好、温度漂移小的电阻。
仪用放大器的三运放结构，是在差动运放的基础上发展起来的一种比较完善
的结构形式，如图2所示，其中，A1、A2为同相放大器，A3为差动放大器，三个运放都具有高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声等特性，且A1、A2性能完全匹配。
第三章 INA331基本应用简介
一、设置增益
R2的比值R1，或在引脚1，5，6阻抗决定了INA331的增益。随着内部引脚5增益，INA331的增益可以被编程 。 当大于5按下列公式： G = 5 + 5（R2/R1）
INA331旨在提供获得精确的增益， 误差小于0.1％。设置增益的电阻相匹配的TC 将最大限度地减少增益漂移。从外部电阻误差将增加直接的错误，并可能成为主要的误差来源。
图2 INA331基本应用连接图
二、共模输入范围
模输入范围的上限则是由共模输入范围的第二个放大器，A2，以下面1.2V正电源。在大多数情况下，放大器工作性能会降低超出了这一点。另外，输入范围的下限为界的输出摆幅放大器A1，是一个参考作用电压按下列公式： VOA1=5 / 4 VCM - 1 / 4 VREF
图3 供输入共模路径
第四章 应用设计
一、高速A/ D转换器
对于电阻大于10kΩ负载越大，输出电压可摆幅在25毫伏的电源，同时保持低增益误差。对于更大的负载和温度，看到的典型特征“输出电压摆幅VS输出电流”的INA331的低输出阻抗高频率使得它可直接驱动电容适合输入A/ D转换器，如图4所示。如图所示为由INA331构成的直接驱动电容性输入的A／D变换器。由于INA331输出为低阻，因此在高频工作时可以直接驱动电容性负载。输入电压经过INA331放大输出，直接送到12位高速低功耗采样A／D转换ADS7818或ADS7822。ADS7818或ADS7822内部输入端为电容阵列(CDAC)数模转换，即为电容性输入，A／D转换器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号输出。
图4 高速A/ D转换器。
二、输出缓冲电路 输出缓冲
如图所示为由OPA340构成的INA331输出缓冲电路。INA331最佳的负载阻抗为10kΩ或更大。当负载阻抗降低时，输出电流将加大，图中用运放OPA340构成电压跟随器作为输出缓冲电路，用以增大INA331／332的输出驱动能力，OPA340输出电压最大摆幅低于电源电压50mV，能够驱动低至600Ω负载。
图5 输出缓冲电路
三、输出失调电压调整
该INA331是低失调电压微调激光。外接偏移调节是必需，偏移可以调整通过施加参考终端的电压校正。图6显示了可选的电路修整失调电压。电压施加到REF终端将被添加到输出信号。从REF获得输出电压是1。一个运算放大器缓冲器是用来提供低失调电压在REF端阻抗保持良好的共模排斥性。
图6可选失调微调电压
四、输出缓冲电路
输入保护，如果输入电压超过超过电源500mV，设备输入ESD将保护二极管。如果电流通过输入引脚的限至是10mA，瞬间电压大于500mV的超越电源可以接受的。如图7。许多输入信号自身的电流就小10mA，因此，限流电阻是不是必需的。如图所示为由OPA340构成的INA331输出缓冲电路。INA331最佳的负载阻抗为10kΩ或更大。当负载阻抗降低时，输出电流将加大，图中用运放OPA340构成电压跟随器作为输出缓冲电路，用以增大INA331的输出驱动能力，OPA340输出电压最大摆幅低于电源电压50mV，能够驱动低至600Ω负载。
图7 输出缓冲电路
五、医用心电图应用
如图，图8显示配置，作为一种低成本的INA331心电图放大器，适合用于中等精度心率测试的器材的应用，如健身器材。该共模电压是由两个2MΩ电阻从病人的左，右手臂获得输入信号。这通过提供可选的缓冲区潜在右腿驱动器。过滤可以进行修改，以适应不断变化的应用需求所输出滤波电容值。
图8 医用简化心电图电路
第五章 结论
通过此次课程设计，使我更加了解了有关集成电路精密仪用放大器方面的知识，即放大器的精度高、性能优良、增益范围大、价格低廉等。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，通过和同学的探讨，上网查资料等等渠道找出了自己的原因所在，这些问题暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我掌握的知识不再是纸上谈兵。使我在今后的集成电路的学习和认识的方面有了很大的提高，了解了集成电路在生活中是实际运用。在今后的学习中，我会在学习知识的同时，统筹兼顾实际动手能力，用知识武装自己。
参考文献：
[1]谭博学 苗汇静主编．集成电路原理及应用（第2版）．北京：电子工业出版社，2008
[2]虞希清主编．专用集成电路设计实用教程．浙江：浙江大学出版社，2007 [3]何乐年 王忆 主编．模拟集成电路设计与仿真．北京：科学出版社,2008 [4]王志功，陈莹梅主编.集成电路设计（第2版）.电子工业出版社, 2009 [5]良主编.模拟集成电路分析与设计（第二版）.科学出版社, 2011
