INA111：高性能场效应管输入仪表放大器
INA111是一款具备场效应管（FET）输入结构的高速仪表放大器，广泛适用于对精度和响应速度要求较高的测量与信号处理系统。
主要特性
- 场效应管输入设计：输入偏置电流（IB）最大值仅20pA，有助于简化信号调理电路。
- 高速响应能力：在增益G=100时，建立时间（TS）仅需4μs，达到0.01%精度。
- 超低失调电压：最大失调电压为500μV。
- 低失调漂移：温度漂移不超过5μV/°C。
- 高共模抑制比（CMR）：最低可达106dB。
- 多种封装可选：支持8引脚DIP封装和SOL-16表面贴装封装。
典型应用领域
- 医疗诊断设备
- 工业数据采集系统
产品概述
INA111采用电流反馈架构，能够提供宽广的带宽和快速的信号建立能力。例如，在增益G=10时，其带宽可达2MHz。用户仅需一个外部电阻即可将增益配置为1至1000之间的任意值。
通过激光微调工艺，INA111实现了优异的直流精度。其FET输入结构将输入偏置电流控制在20pA以下，极大降低了对输入滤波和限幅电路的要求。
INA111提供两种封装形式：8引脚DIP封装和SOL-16表面贴装封装。其工作温度范围为–40°C至+85°C，适合在多种工业和医疗环境中稳定运行。
应用说明
图1展示了INA111的基本连接方式。在高噪声或高阻抗环境中，建议在设备引脚附近配置去耦电容。
输出参考（Ref）端通常连接至地，需使用低阻抗线路以保持良好的共模抑制。在Ref端串联一个200Ω电阻会降低共模抑制比，例如在G=1时，典型器件的CMR可能从90dB降至80dB。
增益设置方法
INA111的增益通过外部电阻RG进行设定。其增益方程中的50kΩ值来源于两个内部反馈电阻的总和，这些电阻采用金属膜工艺并经过激光微调。
外部增益设置电阻的稳定性与温度特性也会影响整体增益精度。在高增益配置下，布线电阻可能引入额外误差，特别是在增益达到100或更高时。
动态性能表现
INA111在宽增益范围内提供出色的带宽性能。其电流反馈拓扑结构使其具备快速稳定的响应能力。
在单位增益下，INA111在2MHz时表现出约6dB的增益提升。这种提升源于其电流反馈结构，并非系统不稳定的表现。其频率响应在700kHz或更低时呈现出平坦的通带响应。
对于高频共模信号，INA111具有出色的抑制能力。但若输入信号不平衡，共模信号可能转化为差分信号，影响测量精度。建议将输入线路紧密布置，并在下方使用接地层以降低干扰。
噪声与精度特性
INA111的FET输入结构在高阻抗源应用中表现出低噪声和高精度特性。对于中等源阻抗（2kΩ至50kΩ），INA114可提供更低的失调漂移。
在低源阻抗（≤1kΩ）条件下，INA103则能提供更高的精度和更低的噪声。
失调电压调节
INA111通过激光微调实现低失调电压和漂移，大多数应用场景无需额外调整。图2展示了可选的失调电压修整电路。该电路通过在Ref端施加电压来调节输出。
Ref端应保持低阻抗，以确保良好的共模抑制性能。在高频下，所用运算放大器应保持低输出阻抗。高源阻抗的微调电路建议通过缓冲器与Ref端连接。
输入偏置电流回路
INA111具备极高的输入阻抗（约为1012Ω），但仍需为输入偏置电流提供通路。偏置电流通常小于10pA，其变化幅度随输入电压而微小。
图3展示了多种偏置电流回路配置方式。若未提供回路，输入端可能漂移至超出共模范围，导致输入放大器饱和。
输入共模范围
INA111的输入线性共模范围约为±12V（或距离电源电压3V）。但输出电压会影响实际可用的共模范围。
共模与差分输入电压的组合可能导致内部放大器A1或A2输出饱和。图4展示了A1和A2的输出电压摆幅与共模、差分电压的关系。
为扩展共模范围，可将INA111配置为较低增益，从而限制输出电压摆幅。如需更大输出电压，可在INA111后级增加增益。
输入过载保护
INA111支持输入电压范围为负电源以下0.7V至正电源以上15V。若输入电流不超过1mA，可依赖内部结点进行电压钳位。
当输入源可能提供超过1mA的电流时，建议使用图5所示的外部钳位二极管。串联电阻R1和R2可限制输入电流，但电阻值不宜超过10kΩ，以免引入额外噪声。
图5中采用的2N4117A晶体管可实现低漏电流。常见信号二极管（如1N4148）可能因漏电流较高或对光敏感而影响系统性能。
输入滤波设计
INA111的FET输入结构支持R/C低通滤波器的应用。图6展示了推荐的滤波器配置方式。
共模电容C1与C2的匹配度直接影响共模抑制能力。失配会导致高频共模信号转化为差分信号。差分电容C3可缓解此影响并降低带宽。建议C3显著大于C1与C2。
输出电压检测
在SOL-16封装中，INA111提供独立的输出反馈连接（引脚12），通常连接至引脚11以实现负载端电压检测。
图8展示了如何通过串联电阻实现远程负载驱动。远端反馈路径可能影响系统稳定性，可通过添加高频反馈路径来改善。