儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其輸入偏置電流也應(yīng)很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運(yùn)算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個(gè)內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，它與其信號(hào)輸入端隔離 。對(duì)儀表放大器的兩個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益既可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳連接一個(gè)內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置，該增益電阻器也與信號(hào)輸入端隔離。

 

 

專用的儀表放大器價(jià)格通常比較貴，于是我們就想能否用普通的運(yùn)放組成儀表放大器？答案是肯定的。使用三個(gè)普通運(yùn)放就可以組成一個(gè)儀用放大器。電路如下圖所示：

 

 

輸出電壓表達(dá)式如圖中所示。

 

看到這里大家可能會(huì)問上述表達(dá)式是如何導(dǎo)出的？ 為何上述電路可以實(shí)現(xiàn)儀表放大器？下面我們就將探討這些問題。在此之前，我們先來(lái)看如下我們很熟悉的差分電路：

 

 

如果R1 = R3，R2 = R4，則VOUT = （VIN2—VIN1）（R2/R1）

 

這一電路提供了儀表放大器功能，即放大差分信號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)，但它也有些缺陷。首先，同相輸入端和反相輸入端阻抗相當(dāng)?shù)投也幌嗟?。在這一例子中VIN1反相輸入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等于反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此，當(dāng)電壓施加到一個(gè)輸入端而另一端接地時(shí)，差分電流將會(huì)根據(jù)輸入端接收的施加電壓而流入。（這種源阻抗的不平衡會(huì)降低電路的CMRR。）

 

另外，這一電路要求電阻對(duì)R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個(gè)輸入端的增益會(huì)有差異，直接影響共模抑制。例如，當(dāng)增益等于 1 時(shí)，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡將使CMR下降 6 dB。

 

為解決上述問題，我們?cè)谶\(yùn)放的正負(fù)輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

 

 

以上前置的兩個(gè)運(yùn)放作為電壓跟隨器使用，我們現(xiàn)在改為同相放大器，電路如下所示：

 

 

輸出電壓表達(dá)式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益（A1 和 A2）時(shí)，它對(duì)差分信號(hào)增加相同的增益，也對(duì)共模信號(hào)增加相同的增益。也就是說(shuō)，上述電路相對(duì)于原電路共模抑制比并沒有增加。

 

下面，要開始最巧妙的變化了！看電路先：

 

 

這種標(biāo)準(zhǔn)的三運(yùn)放儀表放大器電路是對(duì)帶緩沖減法器電路巧妙的改進(jìn)。像前面的電路一樣，上圖中A1 和A2 運(yùn)算放大器緩沖輸入電壓。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，單個(gè)增益電阻器RG連接在兩個(gè)輸入緩沖器的求和點(diǎn)之間，取代了帶緩沖減法器電路的R6和R7。由于每個(gè)放大器求和點(diǎn)的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個(gè)差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在RG兩端。因?yàn)檩斎腚妷航?jīng)過放大后（在A1 和A2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在R5，RG和R6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變RG進(jìn)行調(diào)整。

 

這種連接有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一旦這個(gè)減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后，在改變?cè)鲆鏁r(shí)不再對(duì)電阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，則VOUT = （VIN2-VIN1）（1+2R5/RG）（R2/R1）由于RG兩端的電壓等于VIN，所以流過RG的電流等于VIN/RG，因此輸入信號(hào)將通過A1 和A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在RG上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過RG（也就無(wú)電流流過R5和R6），放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號(hào)將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按〔1+（2 RF/RG）〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來(lái)的差分電路增大了〔1+（2 RF/RG）〕倍！

 

在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益（由RG來(lái)決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號(hào)將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個(gè)非常有用的特性。

 

最后，由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級(jí)的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。上述這些特性便是這種三運(yùn)放結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用的解釋。

 

到這里，我們導(dǎo)出了這個(gè)經(jīng)典電路的;來(lái)龍去脈： 差分放大器--》前置電壓跟隨器--》電壓跟隨器變?yōu)橥喾糯笃?-》三運(yùn)放組成的儀用放大器。

 

 

用分離元件構(gòu)建儀表放大器（ＩＡ）需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡(jiǎn)便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，這里以惠斯通電橋變送器來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵(lì)電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對(duì)“電橋”進(jìn)行計(jì)算可得：

 

 

Ｖ１＝Ｖｅｘ（Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ１）），Ｖ１＝５ＶＶ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ變送器輸出就是電橋兩個(gè)輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個(gè)激勵(lì)加在電橋的４個(gè)活動(dòng)臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時(shí)Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時(shí)若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實(shí)際上，人們所關(guān)心的信號(hào)是：

 

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對(duì)共模電壓（ＣＭＶ）進(jìn)行計(jì)算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２，／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

 

上述計(jì)算表明，在有大的共模信號(hào)時(shí)，測(cè)量一個(gè)微弱的電壓信號(hào)比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)較大的電壓信號(hào)Ｖ２與Ｖ１來(lái)獲得，這兩個(gè)電壓均可在伏特級(jí)。

 

 

儀表放大器專門精密差分 電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放 大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、 低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速 信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。

 

 

運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，如圖3-1所示，其中標(biāo)有“+”號(hào)的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端），另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。

 

 

運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖3-1所示。運(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途，總的來(lái)說(shuō)，這些特性可以綜合為兩條：

 

1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大。

 

2、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。

 

 

現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)單地看看由于上面的兩個(gè)特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。

 

首先，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會(huì)有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來(lái)應(yīng)該是無(wú)窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)確地說(shuō)，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點(diǎn)，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與負(fù)電源電壓相同的電壓（如果運(yùn)算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零）。

 

其次，由于放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以不能將運(yùn)算放大器直接用來(lái)做放大器用，必須要將輸出的信號(hào)反饋到反相輸入端（稱為負(fù)反饋）來(lái)降低它的放大倍數(shù)。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號(hào)返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會(huì)減小電路的放大倍數(shù)，是一個(gè)負(fù)反饋電路，電阻Rf也叫做負(fù)反饋電阻。

 

 

還有，由于運(yùn)算放大器的輸入為無(wú)窮大，所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運(yùn)算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無(wú)窮大的電阻，那么加在這個(gè)電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據(jù)歐姆定律，電阻兩端就不會(huì)有電壓，所以我們又可以認(rèn)為在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端電壓是相同的（電壓在這種情況就有點(diǎn)像用導(dǎo)線將兩個(gè)輸入端短路，所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”）。

 

 

單電源工作的運(yùn)放需要外部提供一個(gè)虛地，通常情況下，這個(gè)電壓是VCC/2，圖二的電路可以用來(lái)產(chǎn)生VCC/2的電壓，但是他會(huì)降低系統(tǒng)的低頻特性。

 

 

R1 和R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來(lái)選擇，電容C1 是一個(gè)低通濾波器，用來(lái)減少?gòu)碾娫瓷蟼鱽?lái)的噪聲。在有些應(yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。

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