设计目标

设计说明

本设计使用分立式运算放大器来实现仪表放大器 (IA) 设计，该设计采用航天级 (SP) 组件用于航天应用。电路将差动信号转换为单端输出信号。仪表放大器的线性操作取决于其构建块（即运算放大器）的线性操作。当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器线性操作。用于为运算放大器供电的电源电压定义这些范围。

设计注意事项

1. 使用低容差电阻器实现高直流 CMRR 性能。电阻器的不匹配也会导致增益和输出精度的误差。
2. 本设计中所有的电阻器和电容器都必须经过航天级验证。
3. R_g 设置输入级的增益。R_1a 和 R_1b 可用于设置第二级的增益（参阅设计步骤）。
4. R_f1 和 R_f2 在本设计中是标定匹配的。一般来说，R_f1 和 R_f2 不需要匹配；在某些情况下，期望R_f1 和 R_f2 不匹配，以便输入级的顶部放大器和底部放大器具有不同的增益。例如，如果 V_cm 不在中位电压，而是更接近其中一个轨，则可以调整 R_f1 和 R_f2，这样两个输入级放大器都不会耗尽裕量。
5. 集成仪表放大器通常具有固定的最小增益。除了在高增益配置中使用 IA 之外，构建这样的分立式 IA 还可灵活地实现小于 1V/V 的任何增益。
6. 高值电阻器会降低电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
7. 向输出级添加隔离电阻器以驱动大电容负载。
8. 线性操作取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。为了获得最佳性能，请选择 V_cm = (V₊ + V_–) / 2 (中位电压)。
9. C₂ 和 R₃ || R₄ 形成一个转角频率为 147.16Hz 的低通滤波器。
10. V_ref 引脚必须由可以灌入和拉出电流的低阻抗基准（例如缓冲器）供电。使用高阻抗基准，例如不带缓冲器的电阻分压器，可能会导致CMRR的不匹配和降低。
11. 本设计 V_{out_min} 选择为 0.2V，以避免 LMP7704-SP 输出摆动太靠近电源轨相关的非线性问题。如果本设计使用的是其他不同的运算放大器，请务必查看数据表以确定允许的最小和最大输出值。
12. 10V的LMP7704-SP 电源电压 是根据美国国家航空航天局 (NASA) 在文件 EEE-INST-002（2008 年 4 月）中以及欧洲空间标准化合作组织 (ECSS) 在文件 ECSS-Q-ST-30-11C Rev.1（2011 年 10 月 4 日）中提供的降额规范选择的。这些文件分别规定了线性 IC的 绝对最大电源电压分别降额 80% 和 90% 。
13. 本设计可以通过单个 4 通道 LMP7704-SP 或类似器件来实现。有关更宽的运算放大器（36V），请参阅设计备用运算放大器。请注意，列出的备用器件满足 TID = 50krad(Si)。

设计步骤

1. 使用以下公式计算此电路的输出电压 V_out：
   
   在该公式中，V_d = V₂ – V₁ 是差分输入电压，V_ref 由 R₃ 和 R₄ 设置以对输出进行电平转换，并假设 R_1a = R_2a 且 R_1b = R_2b。集成仪表放大器通常会固定 R_f1、R_f2、R_1a、R_2a、R_1b 和 R_2b，只留下 R_g 来设置电路的增益。在这种分立式实现方案中，设计人员能够自由更改所有这些电阻器，而传递函数可以通过标准值来简化，例如 R_f1 = R_f2 = R_1a = R_1b = R_2a = R_2b = 10kΩ，仅使用 R_g 来设置增益。在此情况中，可以使用以下简化的公式计算 R_g：
   
2. 设置 V_ref。在本设计中，V_ref 已按以下公式设置，以便 –50mV 至 +50mV 的对称输入电压范围能够产生 0.2V 至 5V 的输出电压范围。
   
   
   R₄ = 13.83kΩ ≈ 13.8kΩ (标准值)
   注： 所选的R₃ 和 R₄ 的强度应使 R₃ || R₄ 接近 10kΩ，这样由 R₃ || R₄ 和 C₂ 形成的低通滤波器接近普通的低通滤波器。R = 10kΩ 和C = 100nF。
   
   
3. 选择 R_g 以通过简化的传递函数设置所需的增益。
   
   R_g = 425Ω ≈ 427Ω (标准值)
   这对应于增益：