通过EDA软件学习仪表放大器（INA）

前言

本文通过 EDA 软件学习仪表放大器（Instrumentation Amplifier，简称 INA）。

所采用的 EDA 软件是 TI 的 TINA-TI（参考资料 [1]），INA 芯片是 TI 的 INA826，我们的目的是用 TINA-TI 测算一下 INA826 的关键指标 —— CMRR（Common Mode Rejection Ratio，共模抑制比）。

INA826 是 TI 推出的一款经典 INA，至今已有十余年。

让我们看一下它的参数，比如，在增益为 10 情况下的 CMRR 为 104 dB，双电源供电范围 ±18 V 等，这些都是我们仿真时需要了解的内容：

特别的，CMRR 为 104 dB 针对的是 DC 至 60 Hz 的 Vcm 共模信号，这就涵盖了 50 / 60 Hz 的工频噪声，完整条件如下：

INA826 的框图如下，从使用角度，INA 的增益都是由外部电阻 Rg 调节的：

spec 中已将增益公式，和几种典型增益对应的 Rg 给出来了：

仿真时我们模拟的是增益为 10 的情况，对应的 Rg 为 5.49 kΩ 。

TINA-TI 的软件下载和安装见参考资料 [1]，最后更新版本是 2018 年，可能 TI 在 EDA 仿真这方面已经转向其它方向，比如更专用细分的领域，以及 Web-based 的交互方式。相比而言 ADI 的 LTspice 至今仍在更新。

我们在 TINA-TI 中通过 Spice Macros -> Instrumentation Amplifier 的路径可以选择添加 INA826：

然后，构建电路如下：

其中：

最左侧是双电源供电范围 ±18 V，我写本文的时候发现图2 spec 中用的电源条件是 ±15 V，但仿真时用的是 ±18 V，就懒得改了。
往右是输入信号部分，为 VG1、VG2、VG3 三个信号源。VG3 是 20 Vpp（峰峰值），60 Hz 的大信号；VG1、VG2 是 10 mVpp，1 kHz 的小信号。这三个信号源的组成方式使 VG3 是共模信号，希望被抑制，而 VG1 + VG2 是差分信号，希望被放大。
再往右是 INA826 及 10 kΩ 负载，Rg 设置为 5.49 kΩ， Ref 信号设置为 0 V 。
此外，VM1、VM2、VM3 是电压信号测量点。

至此，电路构建完毕，下面是仿真测试。

TINA-TI 的菜单上有 T&M （测试&测量），里面有 Oscilloscope（示波器），可以看时域仿真。

我们先测一下输入信号 VM2 上的电压波形：

可见，是一个 20 Vpp，60 Hz 的大信号，光标 a、b 显示的峰值幅度分别是 10 V 、9.98 V 。VM2 上应该叠加了 10 mVpp，1 kHz 的小信号，但是由于幅度太小，从波形上观察不清楚。

我们再测一下输出信号 VM1 上的电压波形：

可以看到光标 a、b 显示的峰值幅度分别是 99.89 mV 、99.93 mV，光标 a、b 的时间间距是 10.01 ms，内部含有 10 个信号周期，所以可认为这是一个 100mV，1 kHz 的输出信号。

与输入信号做下对比，输入信号的幅度是 VG1 + VG2 = 10 mVpp * 2，峰值幅度就是 10 mV，频率是 1 kHz。增益为 10 倍，所以输出信号 100 mV 的峰值幅度是合理的。

但是，我还是想看下 20 Vpp，60 Hz 的大信号在不在，既然从时域上看不到，也许能从频域上看一下？

TINA-TI 的菜单上有 T&M （测试&测量），里面有 Signal Analyzer，可以看频域仿真。

频谱的设置是 Linear 幅度、最大值 100 mV，带宽范围 10 KHz，频谱分辨率 128 Hz （好像已经最小了），FFT 窗口用的是 Flattop，得到波形如下：

用光标 a、b 测量了一下 1kHz、60 Hz 上的幅度，分别是 99.57 mV 、531.77 μV。60 Hz 的位置甚至看不到一个微小的凸起。

我们通过以下公式来测算一下 CMRR （都使用峰值幅度计算）：

可见，达到并超过了 INA826 spec 中所述的 CMRR 最小值 104 dB 。

本文使用 TINA-TI 软件，特别是通过 Signal Analyzer 工具，从频谱上测算目标差分信号与共模信号的 CMRR。

Signal Analyzer 的频谱分辨率比较低，FFT 窗函数对于信号幅度、分辨率也有影响，所以只能粗略分析 CMRR，但如果是用更高精度的 EDA 软件或者对实物直接测量的话，也是基于类似的原理进行操作。

最后，如果需要本文用的 TINA-TI 案例文件，请留言索取。