듀얼 공급 이산형과 일체형 계측 증폭기의 비교

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1 머리말

개별 계측 증폭기(IA) 설계와 통합 IA 설계의 장점과 단점은 다양하며 종종 논쟁의 여지가 있습니다. 고려해야 할 몇 가지 변수에는 PCB(인쇄 회로 기판) 영역, 게인 범위, 성능(초과 온도) 및 비용 등이 있습니다. 이 문서의 목적은 쿼드 연산 증폭기(연산 증폭기)를 사용하는 개별 IA, 통합 게인 설정 저항(R_G)이 있는 범용 IA, 외부 R_G를 사용하는 정밀 IA의 세 가지 듀얼 공급 IA 회로를 비교하는 것입니다.

2 듀얼 공급 회로

그림 1은 텍사스 인스트루먼트(TI) TLV9064 쿼드 연산 증폭기 회로를 사용한 개별 듀얼 공급 IA의 간소화된 회로도입니다. 이 회로에서는 4개의 증폭기 채널 중 3개(A, B 및 C)가 기존의 3개 연산 증폭기 IA로 연결됩니다. 기준 전압(V_REF)이 접지에 연결됩니다. 네 번째 채널인 D를 사용할 수 없으므로 과도 안정성을 위해 저항을 통해 버퍼-중간 전원(접지)으로 연결됩니다. "R" 레이블이 붙은 모든 저항의 값은 10kΩ이며,R_G는 차동 게인을 설정합니다. 차동 입력 전압은 V_IN+ − V_IN–이며 출력 전압은 V_OUT입니다. 부하 저항(10 kΩ)과 디커플링 커패시터와 같은 일부 부품은 표시되지 않습니다. 패키지 관점에서 모든 회로를 그리면 외부 개별 구성품의 수가 표시됩니다.

그림 1 쿼드 연산 증폭기를 사용하는 개별 듀얼 전압 IA.

방정식 1에서는 이 회로의 전송 기능을 제공합니다.

방정식 1.

$V_{O U T} = (V_{I N +} - V_{I N -}) \times [1 + \frac{20 k Ω}{R_{G}}]$

설계자는 PCB 면적과 성능이 비용 및 게인 범위에 보조적인 경우 일반적으로 개별 IA를 선택합니다. 이 비교를 위해 TI의 TLV9064IRUCR 연산 증폭기가 넓은 대역폭(10MHz)과 낮은 일반 초기 입력 오프셋 전압(V_OS(일반)= 300 µV)을 가진 레일 투 레일 입력/출력 장치(RRIO)이며 소형 패키지(RUC = X2QFN = 4mm²)로 선택되어 있습니다. RUC/X2QFN 패키지에는 저렴한 RRIO 쿼드 연산 증폭기가 있지만 대역폭과 일반적인 오프셋 전압이 희생됩니다.

개별 IA의 설계 우선 순위에 따라 저렴한 ±1% 허용 오차, ±100ppm/°C 드리프트 저항이 설치되었습니다. 이 저항은 초기 값뿐 아니라 온도에 따라 크게 드리프트가 될 수 있습니다. R_G가 외부이므로 이 구성의 게인은 주로 연산 증폭기의 입력 오프셋 전압으로 제한됩니다.

그림 2는 R_G가 통합된 범용 듀얼 공급 IA인 TI INA350ABS의 간소화된 회로도입니다. V_REF가 접지에 연결됩니다. 이 회로는 IA의 모든 저항을 통합합니다. 차동 입력 전압은 V_IN+ − V_IN–이며 출력 전압은 V_OUT입니다. 부하 저항(10 kΩ)과 디커플링 커패시터와 같은 일부 부품은 표시되지 않습니다. IA의 게인은 핀 1에 연결된 스위치를 기준으로 설정됩니다(개방 = 20V/V, 폐쇄 = 10V/V). 실제 애플리케이션에서는 스위치가 존재하지 않습니다. 장치를 활성화하려면 핀 8(SHDN)을 V+에 연결하거나 플로팅 상태로 둡니다.

그림 2 R_G가 통합된 범용 듀얼 공급 IA

방정식 2에서는 이 회로의 전송 기능을 제공합니다.

방정식 2.

$V_{O U T} = (V_{I N +} - V_{I N -}) \times [10 \frac{V}{V} o r 20 \frac{V}{V}]$

설계자는 요구 사항에 따라 비용, 성능 및 PCB 영역의 균형이 요구되는 경우 일반적으로 이 IA를 선택합니다. 이 비교에서는 경제성, 성능, 소형 패키지(리드 DSG = WSON = 4mm²), 선택 가능한 게인(10V/V 또는 20V/V), 낮은 일반 입력 오프셋 전압(V_OS(일반) = 200 µV) 때문에 INA350ABSIDSGR IA가 선택되었습니다. 이 구현에는 외부 구성품이 필요하지 않습니다. 더 높은 게인을 필요로 하는 설계의 경우 INA350CDS는 30V/V 또는 50V/V의 게인을 가집니다

그림 3는 외부 R_G가 장착된 TI INA333 정밀 듀얼 공급 IA의 간소화된 회로도입니다. V_REF가 접지에 연결됩니다. 이 회로에서 IA는 R_G를 제외한 모든 저항을 통합합니다. 차동 입력 전압은 V_IN+ − V_IN–이며 출력 전압은 V_OUT입니다. 부하 저항(10 kΩ)과 디커플링 커패시터와 같은 일부 부품은 표시되지 않습니다.

그림 3 외부 R_G가 있는 정밀 듀얼 공급 IA

방정식 3에서는 이 회로의 전송 기능을 제공합니다.

방정식 3.

$V_{O U T} = (V_{I N +} - V_{I N -}) \times [1 + \frac{100 k Ω}{R_{G}}]$

설계자들은 성능이 최우선 순위에 있을 때 보통 정밀 IA를 사용합니다. 이 비교에서 INA333AIDRGR 정밀 IA는 저전압(5V)이고, 탁월한 정밀도(G = 1 V/V, V_OS(일반) = 35 µV)이며 소형 패키지(DRG = WSON = 9mm²)를 가지고 있기 때문에 선택되었습니다. 온도에 따른 성능은 외부 R_G 선택에 따라 달라집니다. 따라서 기본 설계 우선 순위인 성능에 일관성을 유지하기 위해 10V/V(±0.05%, ±10ppm/°C)의 게인에 정밀 R_G를 사용했습니다. 정밀 연산 증폭기가 통합되어 있어 이 구현 방법은 탁월한 게인 범위(1V/V ~ 1,000 V/V)를 제공합니다. 하지만 통합 정밀 연산 증폭기와 필요한 정밀 R_G를 고려할 때 전체 비용이 다른 두 솔루션보다 더 많습니다.

3 PCB 레이아웃

온도 강제 장치의 노즐이 들어갈 수 있는 원형 영역에 위에 설명한 세 개의 회로가 포함된 이 비교를 위해 특별히 설계된 PCB입니다. 각 회로에 동일한 입력 신호를 제공하도록 주의를 기울여 "누설"에 대한 우려를 완화했습니다. 절연을 위해 각 출력은 별도로 라우팅되었습니다.

그림 4에서는 디커플링 커패시터를 포함하여 각 솔루션의 상대적 크기를 비교할 수 있도록 각 IA 회로의 단순화된 레이아웃을 보여줍니다. 비교를 위해 가장 작은 장치 패키지와 함께 0402 패키지의 저항기 및 커패시터를 사용했습니다.

그림 4 듀얼 공급 IA 회로를 위한 간소화된 PCB 레이아웃 비교.

보시다시피, 이산형 IA 구현은 두 개의 통합 솔루션에 비해 상당히 큽니다. 또한 R_G가 통합되고 전체적으로 더 작은 다이 크기를 갖춘 범용 IA 레이아웃은 정밀 IA 레이아웃의 거의 절반 크기에 육박합니다.

4 측정 결과

게인과 오프셋 오류는 전체 온도에 걸친 각 회로의 상대 성능 측정값으로 사용되었습니다. 기준 측정으로, 정밀 듀얼 공급 IA는 1 V/V (R_G = 개방)의 게인을 얻었습니다. 각 스윕에 대해 입력 신호는 출력 전압 범위가 -2V에서 +2V까지로 조정되었습니다.

표 1에는 전체 온도 범위에서 정밀 IA, G = 1V/V의 기준선 게인 및 오프셋 오류가 나와 있습니다. 이 표에는 측정 시스템을 검증하기 위한 데이터 시트의 일반적인 게인 및 오프셋 오류 값이 포함되어 있습니다.

표 1 정밀 IA 게인 및 오프셋 오류 대 온도(G = 1V/V).

온도	-40°C		0°C		25°C		100°C		125°C
오류 유형	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋
측정값(일반 데이터 시트)	0.00270%	10.1µV	0.00019%	9.1µV	–0.00281% (±0.01%)	7.5µV (±35µV)	–0.00523%	23.5µV	–0.00572%	31.2µV

표 2에는 10V/V의 게인과 온도에 걸쳐 모든 IAS에 대한 게인 및 오프셋 오류(출력 참조[RTO])가 나와 있습니다. 녹색 음영은 각 온도에서의 최고 성능 구현을 나타냅니다.

표 2 게인 및 오프셋 오류(RTO) 대 온도(게인 = 10V/V).

온도	-40°C		0°C		25°C		100°C		125°C
오류 유형	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋	게인	오프셋
개별 IA	–0.60853%	-4.09 mV	–0.70079%	-3.67 mV	–0.73929%	-4.07 mV	–0.90846%	-4.07 mV	–0.95486%	-3.69 mV
범용 IA	–0.02532%	2.07 mV	–0.03182%	2.05 mV	–0.00250%	2.04 mV	0.00876%	2.12 mV	–0.00970%	2.21 mV
정밀 IA	0.17320%	–58.8µV	0.08103%	–43.2µV	0.02941%	–35.2µV	–0.06125%	–2.2µV	–0.07883%	33.8µV

성능 측면에서 표 1 및 표 2은(는) 외부 R_G가 없는 정밀 듀얼 공급 IA가 다른 모든 솔루션보다 우수하다는 것을 보여줍니다. 게인 오류 관점에서 볼 때 범용 및 정밀 IA 솔루션은 서로 비슷합니다. 이는 범용 솔루션이 R_G를 통합하는 반면, G = 10 V/V 정밀 IA 구현에는 외부 R_G가 필요하기 때문입니다. 오프셋 오류를 볼 때 정밀 IA 솔루션은 분명히 가장 정확하지만 범용 오프셋 오류는 개별 솔루션의 절반 수준입니다. 전반적으로, 개별 IA는 두 통합 솔루션에 비해 성능이 크게 저하되었습니다.