INA 共模范围可能会是一个难题

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在之前的文章（《了解共模抑制和仪表放大器》）中我们简单描述了三运放仪表放大器 (INA) 的内部工作原理，我们找到了造成总 CMR 误差的主要原因。如果看一下相同器件的共模范围，您就会发现事情并没有那么简单。在 INA 所有的性能特性中，最令人费解的特性就是共模范围要求。那么，设计人员该如何计算仪表放大器的共模范围呢？下面来看一下 INA 的输入/增益过载条件。  


当谈及仪表放大器的共模范围时，输入/增益过载条件会导致严重的问题。要知道当输入信号超过 INA 的输入范围时输入/增益过载并非是必备的条件。图 1 中的 INA 有三个基本的节点，这三个节点会引起输入/增益过载问题。需要引起注意的临界电压电平位于仪表放大器(VIN+ 和 VIN-) 输入引脚、A1 和 A2 (VO-A1 与 VO-A2) 输出电平以及 A3 (VOUT) 输出摆幅。工作时谨记这三个概念您就会发现进入 INA 的输入信号会产生一个错误的输出信号，但不会超出器件正常的输出范围。



图 1三运放仪表放大器
需要注意的第一个条件是施加到仪表放大器的输入电压（VIN+ 与 VIN）（请参见图 1）。该电压等于共模输入电压加上或减去差动输入信号。A1 和 A2 的输入级会限制这两个输入电压的范围。最大和最小输入电压极限值因器件不同而不同，因此需要查询产品说明书以获得最准确的信息并注意您的电源电压。


第二、VIN+ 和 VIN- 输入电压和 A1 及 A2 增益的组合会导致内部输出电压上升或下降。请注意，A1 和 A2 级不具有输入共模电压 (VCM)。如果 A1 和/或 A2 的输出电压 (VO-A1 和/或 VO-A2) 超出了内部输出摆幅限制，就会出现输入/增益过载条件。我们可以直接对该条件进行测量，但您需要知道 VO-A1 和 VO-A2的极限值，然后计算您是否在安全范围（请参见图 1 公式）。


INA 输入端上的范围内电压可驱动一个或两个 A1 和 A2 至其正（或负）输出摆幅极限就是该输入/增益过载条件一个例子。在该条件下，A3 将测量到一个错误的差动电压。该错误电压加上参考至 INA 的电压是不正确的，且很可能位于 A3 的输出范围。


就输入/增益过过载条件而言，第三也是最后一个要注意的地方就是仪表放大器的输出 (VOUT)。A3 输出限制与所有放大器相似。例如，在单电源环境中，输出摆幅将永远也无法跨跃至电压轨。请参见器件的产品说明书了解与这些极限有关的信息。

如果您忽略内部 A1 和 A2 输出级的细微差别，那么三运放 INA 的共模行为可能会让您大吃一惊。所有放大器的输出电压都与整个INA线性共模输入范围相关――输入和输出。大部分产品说明书都提供了输入/增益过载条件影响的图示。现在您可以使用本文的知识来理解并使用这些图片来发挥您的优势了。