共模抑制比可配置的仪表放大器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种共模抑制比可配置的仪表放大器，其通过第一可调电阻体与第二可调电阻体能得到共模抑制第一阻值比，通过第三可调电阻体与第四可调电阻体能得到共模抑制第二阻值比，将共模抑制第一阻值比或共模抑制第二阻值比选定为目标阻值比，则共模抑制第二阻值比或共模抑制第一阻值比形成匹配阻值比；根据所选定的目标阻值比，配置形成匹配阻值比相应可调电阻体的阻值，以使得配置后得到匹配阻值比与目标阻值比的匹配精度与仪表放大器所需的共模抑制比匹配。本实用新型专利技术能有效配置仪表放大器的共模抑制比，同时，也能有效实现仪表放大器增益误差的配置控制，确保仪表放大器增益误差的精度，与现有工艺兼容，安全可靠。

【技术实现步骤摘要】
共模抑制比可配置的仪表放大器
本技术涉及一种仪表放大器，尤其是一种共模抑制比可配置的仪表放大器，属于仪表放大器的

技术介绍
仪表放大器的主要作用在于放大差分信号，抑制共模信号，提高信噪比，是高精度信号采集系统的常用电路模块。如图1所示，为现有常用仪表放大器的电路图，具体地，仪表放大器包括运算放大器U1A、运算放大器U1B以及运算放大器U1C，其中，运算放大器U1A的同相端与差分信号VIN连接，运算放大器U1A的输出端与电阻RF1的一端、电阻RG3的一端连接，电阻RF1的另一端与运算放大器U1A的反相端以及增益切换电阻RG的一端连接，增益切换电阻RG的另一端与电阻RF2的一端以及运算放大器U1B的反相端连接，运算放大器U1B的同相端与差分信号VIP连接，运算放大器U1B的输出端与电阻RF2的另一端以及电阻RG4的一端连接，电阻RG4的另一端与运算放大器U1C的反相端以及电阻RF4的一端连接，电阻RF4的另一端与电压VREF连接；电阻RG3的另一端与运算放大器U1C的同相端以及电阻RF3的一端连接，电阻RF3的另一端与运算放大器U1C的输出端连接，且运算放大器U1C的输出端与电阻RF3连接后能形成仪表放大器的输出端VOUT。上述仪表放大器中，由运算放大器U1C、电阻RF3、电阻RF4、电阻RG3以及电阻RG4能确定仪表放大器的共模抑制比(CMRR)，具体地，通过叠加方式可以推导出经运算放大器U1C输出VOUT的表达式。一般地，与电阻RF4连接的电压VREF为0。当VIN-接地时，在VIN+的作用下的输出VO1为：当VIN+接地，在VIN-的作用下的输出VO2为：叠加后，得到若RF3＝RF4，RG3＝RG4时，则有由上述公式可知，通过运算放大器U1C能得到一种简单的差分电压放大器。然而，输入阻抗较低且不相等。另外，必须对电阻RF3、电阻RF4、电阻RG3以及电阻RG4进行仔细地比率匹配，以维持良好的共模抑制性能。若VIN+＝VIN-，则有如果目标增益为1，则全部电阻都将相等。若其中一个电阻存在0.1％的不匹配率，如：RF3＝RF4＝RG4＝R′，RG3＝0.999R′，则有此时，仪表放大器的共模抑制比为66dB，如果存在源电阻不低、不平衡等的情况，则增益和共模抑制性能将进一步下降。综上：共模抑制比与电阻匹配度有关，在实际设计的时候需要考虑各方面因素。如果希望共模抑制比达到80dB以上，那么电阻匹配精度就需要达到0.01％，比0.1％还要高上10倍。在国内目前的工艺条件下，无法生产相应高精度的电阻，外购高精度的电阻又会导致成本大幅提高，从而目前仪表放大器的共模抑制比与目标的共模抑制比间多数存在较大的偏差，无法有效满足实际的生产生活需要。此外，对于上述的仪表放大器，运算放大器U1A、电阻RF1、电阻RF2、运算放大器U1B、电阻RG3、电阻RG4、电阻RF3、电阻RF4以及运算放大器U1C采用半导体工艺集成于同一电路中。为了能得到所需增益误差G的仪表放大器，增益切换电阻RG一般采用外挂电阻，即在进行电路集成时，集成电路中未包含增益切换电阻增益RG，切换电阻RG位于集成有运算放大器U1A的集成电路外，增益切换电阻RG与集成有运算放大器U1A的集成电路采用非半导体工艺集成的方式连接配合。一般地，为能与电阻RF1、电阻RF2适配，增益切换电阻RG一般包括电阻RG1以及电阻RG2，其中，电阻RG1的一端与运算放大器U1A的反相端以及电阻RF1的一端连接，电阻RG1的另一端与电阻RG2的一端连接，电阻RG2的另一端与运算放大器U1B的反相端以及电阻RF2连接。对于上述的仪表放大器，仪表放大器的输出电压VOUT为：VOUT＝(VIP-VIN)*G+VREF其中，G为增益误差(GainError)，VREF为反馈电压。具体实施时，有RF1＝RF2,RG1＝RG2，则能得到增益误差G为根据上述增益误差G的表达式可知，增益误差G的大小与电阻RF1、电阻RG1的比值相关，对于一特定的仪表放大器，保证电阻RF1与电阻RG1的取值精度即可保证所形成仪表放大器增益误差的精度。目前，国外的仪表放大器，如型号为AD620的运算放大器、型号为INA188的运算放大器，均采用图1的电路形式，即增益切换电阻RG一般采用外挂电阻的形式。为了能确保仪表放大器增益误差的精度，国外的仪表放大器主要采用如下的技术手段，具体地：1)、为了能精确实现所需的增益误差G，可以通过采购高精度的增益切换电阻RG进行匹配。一般地，增益切换电阻RG的价格根据绝对值精度不同而不同，对1％精度的电阻，相应价格为几元可购买得到上千个电阻；对0.1％精度的电阻，价格为几分钱可购买一个电阻，对于0.01％精度的电阻，价格几角钱可购买一个电阻。不同精度要求的电阻均可采购获得，使用高精度外挂电阻可达到所需的增益误差，防止总增益精度的下降；但采购高精度的电阻会增加仪表放大器的成本。2)、对于电阻RF1、电阻RF2等半导体工艺集成得到的电阻，有普通电阻和薄膜电阻之分，普通电阻与薄膜电阻在生产工艺的影响下，都有很大误差，薄膜电阻的生产工艺较普通电阻的生产工艺更为复杂，但与普通电阻的区别在于薄膜电阻能实现零温漂。目前，国外仪表放大器的厂家，在采用薄膜电阻基础上，可使用先进的激光刀设备对因生产工艺产生误差的薄膜电阻进行激光修调，直至使得上述电阻RF1、电阻RF2在修调后达到所需目标值。综上，对于国外的仪表放大器，由于增益切换电阻RG可采用精度高的外挂电阻行驶，而电阻RF1、电阻RF2等可采用薄膜电阻的生产工艺，在工艺技术领先的基础上，以及通过激光刀修调绝对值很准的薄膜电阻，可以使增益误差G控制在很小的范围内，从而能保证仪表放大器增益误差的精度。同理，国外仪表放大器可以采用高精度的电阻、采用先进的薄膜电阻生产工艺及激光刀等修调等手段，能提高仪表放大器的共模抑制比。对于国内的仪表放大器，采购高精度的增益切换电阻RG能提高仪表放大器增益误差的精度，但无疑会导致成本增加，会降低国内仪表放大器的市场竞争力。目前国内的厂家无法有效进行薄膜电阻的生产与集成，集成于集成电路内部的电阻(如电阻RF1、电阻RF2)采用普通电阻的生产工艺时，除生产工艺会产生很大的误差外，还会带来温漂的问题，导致整个仪表放大器的精度更差。此外，国内能实现对电阻修调的激光刀设备紧缺，对于大量生产后的仪表放大器，即无法有效实现国外通过激光刀对电阻修调等方式进行阻值精确调整的目的，从而无法有效控制集成电路内电阻采用普通电阻时所导致增益误差G的精度问题。综上，国内的仪表放大器，在现有工艺的基础上，当采用增益切换电阻RG采用高精度的外挂电阻时，会导致成本高；由于没有薄膜电阻的生产工艺且缺少激光刀等能对电阻进行修调的设备，很难将仪表放大器的增益误差控制在允许的范围内，继而影响国内仪表放大器的使用与推广。同理，对于仪表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共模抑制比可配置的仪表放大器，包括运算放大器U1A、运算放大器U1B以及运算放大器U1C；其特征是：所述运算放大器U1A的输出端通过第一可调电阻体与运算放大器U1C的同相端连接，运算放大器U1B的输出端通过第三可调电阻体与运算放大器U1C的反相端连接，运算放大器U1C的同相端通过第二可调电阻体与所述运算放大器U1C的输出端连接，运算放大器U1C的反相端还与第四可调电阻体连接；/n通过第一可调电阻体与第二可调电阻体能得到共模抑制第一阻值比，通过第三可调电阻体与第四可调电阻体能得到共模抑制第二阻值比，将共模抑制第一阻值比或共模抑制第二阻值比选定为目标阻值比，则共模抑制第二阻值比或共模抑制第一阻值比形成匹配阻值比；/n根据所选定的目标阻值比，配置形成匹配阻值比相应可调电阻体的阻值，以使得配置后得到匹配阻值比与目标阻值比的匹配精度与仪表放大器所需的共模抑制比匹配。/n

【技术特征摘要】
1.一种共模抑制比可配置的仪表放大器，包括运算放大器U1A、运算放大器U1B以及运算放大器U1C；其特征是：所述运算放大器U1A的输出端通过第一可调电阻体与运算放大器U1C的同相端连接，运算放大器U1B的输出端通过第三可调电阻体与运算放大器U1C的反相端连接，运算放大器U1C的同相端通过第二可调电阻体与所述运算放大器U1C的输出端连接，运算放大器U1C的反相端还与第四可调电阻体连接；
通过第一可调电阻体与第二可调电阻体能得到共模抑制第一阻值比，通过第三可调电阻体与第四可调电阻体能得到共模抑制第二阻值比，将共模抑制第一阻值比或共模抑制第二阻值比选定为目标阻值比，则共模抑制第二阻值比或共模抑制第一阻值比形成匹配阻值比；
根据所选定的目标阻值比，配置形成匹配阻值比相应可调电阻体的阻值，以使得配置后得到匹配阻值比与目标阻值比的匹配精度与仪表放大器所需的共模抑制比匹配。


2.根据权利要求1所述的共模抑制比可配置的仪表放大器，其特征是：所述第四可调电阻体包括固定电阻RD以及与所述固定电阻RD相互串接的可调电阻部，可调电阻部的一端与固定电阻RD连接，可调电阻部的另一端与第三可调电阻体连接；
所述可调电阻部包括(m+1)个依次串接的电阻以及(m+2)个共模抑制可控开关，可调电阻部内每个电阻的端部均与一相应的共模抑制可控开关的第一端连接，所有共模抑制可控开关的第二端与运算放大器U1C的反相端连接，共模抑制可控开关的控制端与共模抑制开关控制电路连接，通过共模抑制开关控制电路能控制相应共模抑制可控开关的开闭状态，
共模抑制开关控制电路控制任一共模抑制可控开关闭合时，固定电阻RD与处于闭合状态的共模抑制可控开关之间的电阻串接形成等效电阻RF4，可调电阻部内的其余电阻与第三可调电阻体串接后能形成等效电阻RG4，则共模抑制第二阻值比为等效电阻RF4与等效电阻RG4的阻值比。


3.根据权利要求2所述的共模抑制比可配置的仪表放大器，其特征是：所述共模抑制开关控制电路包括用于接收共模抑制PIN码的共模抑制控制逻辑电路(1)、与所述共模抑制控制逻辑电路(1)连接的共模抑制移位寄存器(2)、与所述共模抑制移位寄存器(2)连接的共模抑制译码电路(3)、与共模抑制译码电路(3)连接的共模抑制温度计码电路(4)，所述共模抑制温度计码电路(4)的输出端与共模抑制可控开关的控制端对应连接，以能控制共模抑制可控开关的开关状态。


4.根据权利要求1或2或3所述的共模抑制比可配置的仪表放大器，其特征是：在运算放大器U1A的输出端与所述运算放大器U1A的反相端间设置增益误差第一电阻串，在运算放大器U1B的输出端与所述运算放大器U1B的反相端间设置增益误差第二电阻串；增益误差第一电阻串、增益误差第二电阻串内均包括若干依次串接的电阻；运算放大器U1A的反相端、增益误差第一电阻串通过增益误差连接电阻串与运算放大器U1B的反相端以及增益误差第二电阻串适配连接；
还包括与增益误差第一电阻串适配的增益误差第一开关阵、与增益误差第二电阻串适配的增益误差第二开关阵以及能控制增益误差第一开关阵、增益误差第二开关阵内增益误差可控开关相应开关状态的增益误差开关控制电路，其中，运算放大器U1A、运算放大器U1B、增益误差第一电阻串、增益误差第二电阻串、增益误差连接电阻串、增益误差第一开关阵、增益误差第二开关阵、运算放大器U1C、第一可调电阻体、第二可调电阻体、第三可调电阻体以及第四可调电阻体通过半导体集成工艺集成于同一电路中；
增益误差开关控制电路通过增益误差第一开关阵能控制增益误差第一电阻串内的电阻与运算放大器U1A的连接状态，并通过增益误差第二开关阵能控制增益误差第二电阻串内的电阻与运算放大器U1B的连接状态，以得到连接运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1A反相端的等效电阻RF1、连接运算放大器U1B的输出端与运算放大器U1B反相端的等效电阻RF2以及与等效电阻RF1、等效电阻RF2适配连接的等效增益切换电阻RG，且根据所得到等效电阻RF1、等效电阻RF2以及等效增益切换电阻RG能使得所述仪表放大器的增益误差G能与增益误差目标值匹配。


5.根据权利要求4所述的共模抑制比可配置的仪表放大器，其特征是：增益误差第一电阻串、增益误差第二电阻串内均具有n+1个电阻，
增益误差第一电阻串中，电阻R1、电阻R2，……，电阻Rn+1依次串接，且运算放大器U1A的输出端与电阻Rn+1直接连接，运算放大器U1A的反相端与电阻R1直接连接；
增益误差第二电阻串中，电阻R1'、电阻R2'，……，电阻Rn+1'依次串接，且运算放大器U1B的输出端与电阻Rn+1'直接连接，运算放大器U1B的反相端与电阻R1'直接连接，
增益误差第一开关阵、增益误差第二开关阵同时具有n+2个增益误差可控开关；增益误差第一电阻串中，每个电阻的端部均与增益误差第一开关阵中一相应增益误差可控开关的一端连接，所述增益误差可控开关的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，杨金权，焦炜杰，马学龙，王新安，汪波，石方敏，
申请(专利权)人：江苏润石科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32