概述
本文学习于TI 高精度实验室课程，介绍使用仪表放大器时 SAR ADC 驱动放大器的注意事项。具体包括：介绍如何使用仪表放大器设计数据转换器驱动电路。
仪表放大器（Instrumentation Amplifier，下文简称 INA）可抑制输入信号的共模电压，接收差分信号并通过增益将其放大，并使用参考引脚对输出进行电平转换。通常，INA 针对直流精度和低噪声进行了优化。也就是说，INA 的偏移、偏移漂移和偏置电流通常较低。不过，INA 通常具有较低的带宽，因为它们旨在放大低频信号。
由于带宽通常较低，INA 通常无法直接驱动开关电容输入 SAR ADC。但是，它们可以直接驱动高压型 SAR 转换器的 PGA 输入。 下图显示了如何针对典型的 INA 加 ADC 示例进行增益缩放。此示例中的输入信号为正负 10 毫伏。数据转换器有多个范围。
在这种情况下，我们将选择正或负 10 伏，并调整 INA 输出以匹配 ADC 输入范围。增益要求可以通过取输出范围并除以输入范围来计算。在这种情况下，增益为 1,000。大多数 INA 的增益可以用外部电阻器设置。数据表中给出了增益关系的公式。
前文（使用运算放大器驱动 SAR 型 ADC 时的线性输入范围）研究了运算放大器的共模和输出摆幅限制。仪表放大器由多个运算放大器组成。下图显示了常见的 INA 架构。INA 内的每个放大器都有自己的输入和输出摆幅限制，这些限制结合成 INA 的整体共模与输出摆幅限制。
输出摆幅限制取决于输入共模、增益、电源和参考输入。这种关系很复杂，通常无法通过简单的公式或数据表参数确定。在某些情况下，可以使用数据表图表来绘制共模与输出摆幅的关系，以了解这种限制。
以下是 INA826 数据表中的示例，它们绘制了共模与输出摆幅限制的关系图。这类图表的关键点是要理解输出电压等于 Vdif 乘以增益。这些图表仅在特定测试条件下有效。例如，左侧的图表显示了 5 伏电源、增益等于 1 和两个特定参考电平的共模范围与输出电压的关系。
下图与上一个问题非常相似，主要区别在于 1 毫伏到 21 毫伏的输入信号不对称，我们必须应用偏移量（VRef）将输出转换为正或负 10 伏。查看计算结果，增益是通过将输出变化除以输入变化来计算的。使用数据表中的公式选择增益设置电阻器。我们重新排列了 Vout 公式以求解 Vref，并应用 Vin 等于负 1 毫伏、Vout 等于负 10 伏和增益等于 1,000。
最终结果是需要负 11 伏的参考电压来将输出移至正或负 10 伏。此负 11 伏参考电压是使用分压器和放大器缓冲器生成的。使用缓冲器非常重要，因为 INA 参考引脚的输入是低阻抗的，如果将分压器直接连接到参考输入，就会出现错误。
下面展示了一个违反共模限制的电路示例。该电路的目标是将 0 伏至 10 毫伏的输入信号转换为 0 伏至 10 伏的输出信号。该电路是一个高侧电流分流监控器，其中共模电压非常接近 12 伏。
将电源电压、增益和参考电压输入软件工具后，它会创建如图所示的红色和白色共模与输出图。将共模调整为 12 伏，显示共模限制为正负 6.4 伏。因此，在这种情况下我们无法获得 0 到 10 伏，因此需要选择其它 INA。
到目前为止，我们已经展示了使用 INA 驱动含有内部高速缓冲器的高压 SAR ADC 的情况。这些类型的 SAR 转换器非常适合此类应用，因为仪表放大器的带宽通常有限。但是，在某些情况下，可能需要使用低带宽 INA 来驱动开关电容 SAR。在这些情况下，低带宽 INA 后面需要接一个宽带宽缓冲放大器，来实现 ADC 的内部稳定。
