什么是儀表放大器

這是一個(gè)特殊的差動(dòng)放大器，具有超高輸入阻抗，極其良好的CMRR，低輸入偏移，低輸出阻抗，能放大那些在共模電壓下的信號(hào)。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種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。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)增益組件，具有差分輸入和相對(duì)參考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的 2 個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶(hù)通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置。

儀表放大器構(gòu)成原理

儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=（1+2R1/Rg）Rf/R3。由公式可見(jiàn)，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。

儀表放大器特點(diǎn)

● 高共模抑制比

共模抑制比（CMRR） 則是差模增益（ A d） 與共模增益（ Ac） 之比，即：CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;儀表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值為 70～100 dB 以上。

● 高輸入阻抗

要求儀表放大器必須具有極高的輸入阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值為 10^9～10^12Ω。

● 低噪聲

由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號(hào)上，在 1 kHz 條件下，折合到輸入端的輸入噪聲要求小于 10 nV/ Hz.

● 低線性誤差

輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過(guò)外部的調(diào)整來(lái)修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，它不能由外部調(diào)整來(lái)消除。一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線性誤差為 0. 01 % ，有的甚至低于 0. 0001 %.

● 低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移

儀表放大器的失調(diào)漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調(diào)電壓典型值分別為 100μV 和2 mV.

● 低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差

雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流，F(xiàn)ET 型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流，這個(gè)偏置電流流過(guò)不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差。雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為 1 nA～50 pA ；而 FET 輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為 50 pA.

● 充裕的帶寬

儀表放大器為特定的應(yīng)用提供了足夠的帶寬，典型的單位增益小信號(hào)帶寬在 500 kHz～4 MHz 之間。

● 具有“檢測(cè)”端和“參考”端

儀表放大器的獨(dú)特之處還在于帶有“檢測(cè)”端和“參考”端，允許遠(yuǎn)距離檢測(cè)輸出電壓而內(nèi)部電阻壓降和地線壓降（ IR） 的影響可減至最小。

深入解析如何選擇儀表放大器

信號(hào)源的輸出阻抗常常達(dá)幾kΩ或更大，因此，儀表放大器的輸入阻抗非常大——通常達(dá)數(shù)GΩ，它工作在DC到約1MHz之間。在更高頻率處，輸入容抗的問(wèn)題比輸入阻抗更大。高速應(yīng)用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但輸入阻抗要低。

運(yùn)放的關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)計(jì)工程師確定放大器時(shí)，主要關(guān)心的是電源電流、–3dB帶寬、共模抑制比（CMRR）、輸入電壓補(bǔ)償和補(bǔ)償電壓溫漂、噪聲（指輸入）以及輸入偏置電流。

三運(yùn)放儀表放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

大多數(shù)儀表放大器采用3個(gè)運(yùn)算放大器排成兩級(jí)：一個(gè)由兩運(yùn)放組成的前置放大器，后面跟一個(gè)差分放大器（圖1a）。前置放大器提供高輸入阻抗、低噪聲和增益。差分放大器抑制共模噪聲，還能在需要時(shí)提供一定的附加增益。

圖1

二運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu)

可以采用具有兩個(gè)運(yùn)放的較少元器件的結(jié)構(gòu)替代（圖1b），但有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)使CMRR較低，特別是高頻時(shí)。其次，由于第一級(jí)的增益量有限。輸出誤差反饋回輸入端，導(dǎo)致相對(duì)輸入的噪聲和補(bǔ)償誤差更大。

如何保護(hù)儀表放大器的輸入免受過(guò)電壓的影響？

設(shè)計(jì)師需要采用外部限流電阻來(lái)防止過(guò)電壓通過(guò)內(nèi)部靜電放電（ESD）箝位二極管驅(qū)動(dòng)過(guò)高的電流。這些電阻的值取決于儀表放大器的噪聲水平、電源電壓，以及需要的過(guò)壓保護(hù)，推薦值見(jiàn)器件的datasheet。

這些電阻增加了噪聲，所以一種可替代的方案是使用外部高電流箝位二極管和阻值非常小的電阻。遺憾的是，大多數(shù)普通二極管的漏電流太大，會(huì)產(chǎn)生大的輸出漂移誤差，該誤差隨溫度變化呈指數(shù)關(guān)系增加，所以設(shè)計(jì)師不應(yīng)該將標(biāo)準(zhǔn)二極管用于高阻抗信號(hào)源。

什么是RFI整流？如何預(yù)防？

傳感器與儀表放大器之間的長(zhǎng)引線會(huì)引起RF。儀表放大器隨之將此RF整流為DC偏移。圖2給出了一個(gè)方案，可在RF到達(dá)儀表放大器前就將其濾掉。元件R1a和C1a在同相端構(gòu)成一低通濾波器，R1b和C1b在反相端同樣構(gòu)成低通濾波器。

圖2

這兩個(gè)低通濾波器截止頻率的很好匹配很重要。否則，共模信號(hào)將會(huì)被轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。C2在高頻段將輸入“短路”，能在一定程度上降低這種要求，C2值的大小應(yīng)該至少為C1的10倍。

雖然如此，C1a和C1b的匹配仍很關(guān)鍵，應(yīng)該選用±5%C0G薄膜電容。該濾波器的差分帶寬為［1/2πR（2C2+C1）］，共模帶寬為［1/2πR1C1）］。

購(gòu)買(mǎi)單片放大器和用運(yùn)放構(gòu)建一個(gè)儀表放大器兩者的利弊是什么？

用分立運(yùn)放構(gòu)建一個(gè)儀表放大器的最主要理由是在市面上找不到所需要的儀表放大器。不同廠家生產(chǎn)的運(yùn)放有5000種以上的型號(hào)，而儀表放大器型號(hào)只有約100種。

但是，若能找到一款滿(mǎn)足性能要求的單片儀表放大器，那就用它，不要再自己構(gòu)建。這樣，會(huì)節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且單片部件的體積肯定小。

此外，CMRR性能會(huì)更好。由于多數(shù)電阻都在片上，板寄生效應(yīng)要小的多。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于任何額定電流，單片設(shè)計(jì)的噪聲和帶寬參數(shù)通常都更好。

三運(yùn)放測(cè)量（儀表）放大器內(nèi)部電路分析

在許多測(cè)試場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往很微弱，而且伴隨有很大的共模電壓（包括干擾電壓），一般對(duì)這種信號(hào)需要采用測(cè)量放大器。

上圖是目前廣泛應(yīng)用的三運(yùn)放測(cè)量放大器電路。測(cè)量放大器電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)RG可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱(chēng)性。其中A1、A2為兩個(gè)性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和開(kāi)環(huán)增益）的通用集成運(yùn)放，工作于同相放大方式，構(gòu)成平衡對(duì)稱(chēng)的差動(dòng)放大輸入級(jí)，A3工作于差動(dòng)放大方式，用來(lái)進(jìn)一步抑制A1、A2的共模信號(hào)，并接成單端輸出方式適應(yīng)接地負(fù)載的需要。

該電路分析如下：

測(cè)量放大器的共模抑制比主要取決于輸入級(jí)運(yùn)放A1、A2的對(duì)稱(chēng)性以及輸出級(jí)運(yùn)放A3的共模抑制比和輸出級(jí)外接電阻R3、R5及R4、R6的匹配精度（±0.1%以?xún)?nèi)）。一般其共模抑制比可達(dá)120dB以上。

此外，測(cè)量放大器電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)RG可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱(chēng)性。而且由于輸入級(jí)采用了對(duì)稱(chēng)的同相放大器，輸入電阻可達(dá)數(shù)百兆歐以上。

目前，許多公司已開(kāi)發(fā)出各種高質(zhì)量的單片集成測(cè)量放大器，通常只需外接電阻RG用于設(shè)定增益，外接元件少，使用靈活，能夠處理幾微伏到幾伏的電壓信號(hào)。