儀表放大器公式推導(dǎo)+工作原理

　　一、什么是儀表放大器？

　　儀表放大器是差分放大器的改進(jìn)型，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，適用于測(cè)量和電子儀器。特性包括非常低的直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開(kāi)環(huán)增益、非常大的共模抑制比和高輸入阻抗，儀表放大器用于需要非常高的精度和穩(wěn)定性的電路中。

　　主要用于放大小差分信號(hào)，儀表放大器提供最重要的共模抑制（CMR）功能。它消除了在兩個(gè)輸入上具有相同電位的任何信號(hào)。輸入之間具有電位差的信號(hào)被放大。

　　儀表放大器（In-Amp）用于低頻信號(hào) （《1 MHz）以提供大量增益。它放大輸入信號(hào)，抑制輸入信號(hào)中存在的共模噪聲。

　　儀表放大器

　　基本上，典型的儀表放大器配置由三個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻組成。為了實(shí)現(xiàn)最高的 CMRR（共模抑制比），使用了高精度電阻（0.1 % 容差或更好）。

　　下圖 2 顯示了芯片 AD620 In-Amp（儀表放大器）的引腳配置和物理視圖。這是標(biāo)準(zhǔn)的高性能、低成本放大器。它采用 8 引腳 DIP 和 SOIC 封裝完全單片。可以使用單個(gè)外部電阻獲得 1 到 1000 的任何所需增益。根據(jù)設(shè)計(jì)，增益為 10 和 100 的固定電阻值是標(biāo)準(zhǔn)的 1% 金屬膜電阻值。

　　（a）引腳配置（b） AD620 儀表放大器

　　二、儀表放大器電路

　　儀表放大器通常用于放大低電平信號(hào)，抑制噪聲和干擾信號(hào)。一個(gè)好的儀表放大器必須滿足以下規(guī)格：

　　1、有限、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的增益

　　由于儀表放大器需要放大來(lái)自換能器設(shè)備得非常低電平的信號(hào)，因此高和有限增益是基本要求，增益還需要準(zhǔn)確，閉環(huán)增益必須穩(wěn)定。

　　2、更容易的增益調(diào)整

　　除了有限和穩(wěn)定的增益外，增益因子在規(guī)定的值范圍內(nèi)的變化也是必要的。增益調(diào)整必須更容易和精確。

　　3、高輸入阻抗

　　為避免輸入源負(fù)載，儀表放大器的輸入阻抗必須非常高（理想情況下是無(wú)限大）。

　　4、低輸出阻抗

　　好的儀表放大器的輸出阻抗必須非常低（理想情況下為零），以避免對(duì)下一級(jí)直接產(chǎn)生負(fù)載影響。

　　5、高 CMRR

　　當(dāng)通過(guò)長(zhǎng)線傳輸時(shí)，傳感器的輸出通常包含共模信號(hào)。一個(gè)好的儀表放大器必須只放大差分輸入，完全抑制共模輸入。因此，儀表放大器的 CMRR 在理想情況下必須是無(wú)限的。

　　6、高擺率

　　儀表放大器的擺率必須盡可能高，以提供最大的不失真輸出電壓擺幅。

　　三、儀表放大器工作原理

　　儀表放大器由兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差分放大器組成。它由具有相應(yīng)端子的電阻組成。目的是設(shè)計(jì)一個(gè)具有高 CMRR 值以及最大不失真信號(hào)值的放大器。

　　儀表放大器電路

　　儀表放大器工作需要以下步驟：

　　初始放大器（如同相放大器）被視為緩沖器。從電路中可以明顯看出，對(duì)于這兩個(gè)緩沖器，連接了三個(gè)電阻。

　　電路中連接的電阻器的值將相等，除了電阻 R gain。

　　在電路中的點(diǎn) 1，電壓將被視為 V1。

　　同樣，在點(diǎn) 2，電壓將被視為等于 V 2。

　　在 R增益處產(chǎn)生的電位降是電壓 V 1和 V 2之間的差。

　　由于這個(gè)原因，電流流過(guò)那個(gè)點(diǎn)，即通過(guò) Rgain。這表明沒(méi)有通過(guò)反饋觀察到電流流動(dòng)。

　　然后這導(dǎo)致相同數(shù)量的電流流過(guò)電路中連接在上方和下方的電阻。這樣，儀表放大器就工作了。

　　四、儀表放大器公式推導(dǎo)

　　這里主要是關(guān)于儀表放大器的工作原理并計(jì)算輸出電壓增益。如下圖所示，我們可以將設(shè)計(jì)大致分為 2 個(gè)部分：第 1 級(jí)和第 2 級(jí)（差分放大器）。Vout1 和 Vout2 支路連接到第二級(jí)差分放大器設(shè)計(jì)的輸入。因此，我們需要首先找到 Vout1 和 Vout2，然后將差分放大器特性應(yīng)用于這些輸入。

　　第1級(jí)：

　　顯示電流方向的儀表放大器

　　該級(jí)包含 2 個(gè)放大器和 3 個(gè)電阻，連接在輸入 V1 和 V2 之間，輸出 Vout1 和 Vout2。

　　首先，我們來(lái)看看第一級(jí)上放大器的V-節(jié)點(diǎn)。假設(shè)放大器是理想的，因此它們的開(kāi)環(huán)增益是無(wú)限的。因此，我們可以假設(shè) V +處的電壓等于 V -處的電壓。因此，我們可以寫(xiě)成 V – = V + = V1。類似地，我們可以為第一級(jí)的底部放大器寫(xiě) V – = V + = V2。

　　如圖所示，沒(méi)有電流可以從其輸入端流入放大器，因?yàn)檫\(yùn)算放大器在其反相和非反相輸入端具有無(wú)限的輸入電阻。因此，來(lái)自 R1 的電流除了流向 Rg 外，無(wú)處可去。

　　同樣，來(lái)自 Rgain 的電流必須流過(guò)底部放大器的 R1。因此，從上電阻 R1、Rgain 和下電阻 R1 流出的電流是相同的電流?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)置了這些，我們可以使用差異信號(hào)找到 Id 表達(dá)式。

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　并定義 V2-V1 = Vd，差分輸入信號(hào)

　　因此，Vout1 – Vout2 之間的電壓降可以簡(jiǎn)單地寫(xiě)為 Id.R

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　第2級(jí)（差分放大器級(jí)）

　　現(xiàn)在我們找到了 Vout2-Vout1，我們可以進(jìn)入第二階段。Vout2-Vout1 是第二級(jí)的輸入，它實(shí)際上是一個(gè)差分放大器。第二級(jí)實(shí)際上是一個(gè)差分放大器，差分輸入為 Vout2 – Vout1。

　　為了簡(jiǎn)化我們的計(jì)算，首先我們將考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的差分放大器并找到它的電壓增益。然后申請(qǐng)

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　我們將在第二階段找到結(jié)果。

　　考慮下圖 3 中的差分放大器。讓我們計(jì)算輸入為 V1 和 V2 的差分放大器的 Vout，然后將結(jié)果替換為上面的表達(dá)式。

　　差分放大器

　　我們?cè)?V –和 V +節(jié)點(diǎn)應(yīng)用基爾霍夫電流定律。需要注意的是，運(yùn)算放大器是理想的，因此為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以寫(xiě)成 V – = V + = Vx。

　　V -節(jié)點(diǎn)處的 KCL ：

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　將這 2 個(gè)方程相互減去即可去除 Vx。

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　現(xiàn)在，回到我們的原始電路，差分放大器級(jí)（第二級(jí)）的 V1=Vout1 和 V2=Vout2。所以，

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　其中 Vd = V2-V1，正如我們從上面的第一階段發(fā)現(xiàn)的那樣。

　　我們得到

　　儀表放大器公式推導(dǎo)

　　其中 Vd = V2-V1，差分輸入。

　　五、儀表放大器電路設(shè)計(jì)

　　1、 LM358 構(gòu)建的儀表放大器

　　1）元器件清單

　　制作儀表放大器電路需要以下組件：

　　元器件清單

　　2）儀表放大器電路設(shè)計(jì)

　　該電路需要三個(gè)運(yùn)算放大器，這里使用 2 個(gè) LM358 IC。LM358是兩個(gè)運(yùn)放的雙運(yùn)放模塊，所以我們的電路需要兩個(gè)運(yùn)放。但是，你可以使用三個(gè)單封裝運(yùn)放 LM741 和一個(gè) LM324 運(yùn)放四封裝。

　　儀表放大器

　　U1:A 和 U1:B 運(yùn)算放大器在上述電路中用作電壓緩沖器，以確保輸出阻抗很高。

　　U2:A 運(yùn)算放大器用作運(yùn)算放大器，由于所有的差分運(yùn)放電阻都是10 k，它作為單位增益的差分放大器工作，這意味著輸出電壓是U2：A的引腳3到引腳2的電壓差。

　　3）儀表放大器計(jì)算

　　可以使用儀表放大器電路的以下公式測(cè)量輸出電壓。

　　Vout = （V2-V1）（1+（2R/Rg））

　　其中 R = 電路電阻。R = R2 = R3=R4 = 10k R5 = R6 = R7

　　Rg = 電阻增益。Rg = R1；這里是22k。

　　R 和 Rg 值決定放大器的增益。

　　增益值可以定義為

　　增益 = （1+（2R/Rg））

　　電壓 V1 為 2.8V，V2 為 3.3V。R 為 10k，Rg 為 22k。值為 10k。在上面的公式中，輸入所有這些值。

　　Vout = （V2-V1）（1+（2R/Rg））

　　（3.3-2.8）（1+（2×10/22））

　?。?.5）*（1.9）

　　= 0.95V

　　我們的值為 0.95V，對(duì)應(yīng)于上述近似值。如上所述，電路的電壓差因此為 1.9。該電路測(cè)試輸入電壓之間的差異并將增益乘以輸出電壓。

　　2、LM324 構(gòu)建儀表放大器

　　以一塊四運(yùn)放集成電路LM324為主要元件，如下圖所示。其特點(diǎn)是將4個(gè)功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個(gè)集成芯片中。使用LM324有什么好處？也就是說(shuō)，可以大大降低每個(gè)運(yùn)算放大器由于制造工藝不同而導(dǎo)致的器件性能差異。此外，采用統(tǒng)一電源有利于降低電源噪聲，提高電路性能指標(biāo)。并且電路的基本工作原理保持不變。