幾乎所有類型的傳感器和傳感器都將現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)(如光、溫度、重量等)轉(zhuǎn)換為電壓值，以便我們的電子系統(tǒng)理解它。電壓水平的變化將有助于我們分析/測(cè)量現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)，但在一些應(yīng)用中，如生物醫(yī)學(xué)傳感器，這種變化非常小(低電平信號(hào))，跟蹤即使是微小的變化也非常重要，以獲得可靠的數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用中使用儀表放大器。

儀表放大器，又名INO或內(nèi)放，顧名思義，放大電壓的變化，并像任何其他運(yùn)放一樣提供差分輸出。但與普通放大器不同的是，儀表放大器將具有高輸入阻抗和良好的增益，同時(shí)提供全差分輸入的共模噪聲抑制。如果你現(xiàn)在不懂也沒(méi)關(guān)系，在本文中，我們將了解這些儀表放大器，由于這些IC比運(yùn)算放大器相對(duì)昂貴，我們還將學(xué)習(xí)如何使用LM385或LM324等普通運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建儀表放大器并將其用于我們的應(yīng)用。運(yùn)算放大器也可以用來(lái)構(gòu)建電壓加法器和電壓減法器電路。

什么是儀表放大器IC?

除了普通的運(yùn)算放大器IC，我們還有一些特殊類型的放大器用于儀表放大器，如INA114 IC。它只不過(guò)是幾個(gè)普通運(yùn)算放大器組合在一起，用于某些特定應(yīng)用。要了解更多有關(guān)這一點(diǎn)，請(qǐng)查看INA114的數(shù)據(jù)表，了解其內(nèi)部電路圖。

正如您所看到的，IC接收兩個(gè)信號(hào)電壓VIN-和VIN+，為了便于理解，我們現(xiàn)在將它們視為V1和V2。輸出電壓(VO)可以用公式計(jì)算

其中，G是運(yùn)算放大器的增益，可以使用外部電阻RG設(shè)置，并使用下式計(jì)算

注意：50k歐姆值僅適用于INA114 IC，因?yàn)樗褂?5k(25+25 =50)的電阻。您可以分別計(jì)算其他電路的值。

基本上，現(xiàn)在如果你看它，一個(gè)內(nèi)放大器只是提供兩個(gè)電壓源之間的差異，增益可以由外部電阻設(shè)置。這聽(tīng)起來(lái)是不是很熟悉?如果沒(méi)有，請(qǐng)看看差分放大器的設(shè)計(jì)，然后回來(lái)。

是的!，這正是差分放大器所做的，如果你仔細(xì)觀察，你甚至可以發(fā)現(xiàn)上圖中的運(yùn)算放大器A3只不過(guò)是一個(gè)差分放大器電路。因此，在外行術(shù)語(yǔ)中，儀表放大器是另一種差分放大器，但具有更高的優(yōu)點(diǎn)，如高輸入阻抗和易于增益控制等。這些優(yōu)點(diǎn)是由于另外兩個(gè)運(yùn)算放大器(A2和A1)的設(shè)計(jì)，我們將在下一個(gè)標(biāo)題中更多地了解它。

了解儀表放大器

為了完全理解儀表放大器，讓我們將上面的圖像分解為如下所示的有意義的塊。

正如你所看到的，In-Amp只是兩個(gè)緩沖運(yùn)算放大器電路和一個(gè)差分運(yùn)算放大器電路的組合。我們已經(jīng)分別了解了這兩種運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在我們將了解它們?nèi)绾谓M合形成差分運(yùn)算放大器。

差分放大器和儀表放大器的區(qū)別

在之前的文章中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何設(shè)計(jì)和使用差分放大器。差分放大器的一個(gè)相當(dāng)大的缺點(diǎn)是由于輸入電阻而具有非常低的輸入阻抗和由于高共模增益而具有非常低的CMRR。由于緩沖電路，這些將在儀表放大器中被克服。

同樣，在差分放大器中，我們需要改變很多電阻來(lái)改變放大器的增益值，但在差分放大器中，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整一個(gè)電阻值來(lái)控制增益。

使用運(yùn)算放大器(LM358)的儀表放大電路圖

現(xiàn)在讓我們使用運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的儀表放大器，并檢查其工作原理。下面給出了我正在使用的運(yùn)算放大器儀表放大電路。

該電路總共需要三個(gè)運(yùn)放;我使用了兩個(gè)LM358 ic。LM358是一個(gè)雙封裝運(yùn)放，也就是說(shuō)它在一個(gè)封裝中有兩個(gè)運(yùn)放，所以我們的電路需要兩個(gè)運(yùn)放。同樣，您也可以使用三個(gè)單封裝LM741運(yùn)放或一個(gè)四封裝LM324運(yùn)放。

在上述電路中，運(yùn)算放大器U1:A和U1:B充當(dāng)電壓緩沖器，這有助于實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗。運(yùn)算放大器U2:A充當(dāng)差分運(yùn)算放大器。由于差分運(yùn)算放大器的所有電阻都是10k，它作為一個(gè)單位增益差分放大器，這意味著輸出電壓將是U2: a的引腳3和引腳2之間的電壓之差。

儀表放大器電路的輸出電壓可以用下面的公式計(jì)算。

式中，R =電路的電阻值。這里R = R2=R3=R4=R5=R6=R7等于10k

Rg =增益電阻。這里Rg = r1等于22k。

所以R和Rg的值決定了放大器的增益。增益的值可以通過(guò)

儀表放大電路仿真

上述電路經(jīng)過(guò)仿真后得到如下結(jié)果。

如您所見(jiàn)，輸入電壓V1為2.8V， V2為3.3V。R值為10k， Rg值為22k。把所有這些值代入上述公式

我們得到的輸出電壓值為0.95V，與上面的仿真相匹配。因此上述電路的增益為1.9，電壓差為0.5V。所以這個(gè)電路基本上會(huì)測(cè)量輸入電壓之間的差，并將其與增益相乘，產(chǎn)生輸出電壓。

您還可以注意到，輸入電壓V1和V2出現(xiàn)在電阻Rg上，這是由于運(yùn)算放大器U1:A和U1:B的負(fù)反饋。這確保了Rg上的電壓降等于V1和V2之間的電壓差，從而使流過(guò)電阻R5和R6的電流相等，從而使運(yùn)算放大器U2:A上引腳3和引腳2上的電壓相等。如果您測(cè)量電阻之前的電壓，您可以看到運(yùn)放U1:A和U1:B的實(shí)際輸出電壓，其差值將等于模擬中上述輸出電壓。

儀器放大電路的硬件測(cè)試

足夠的理論讓我們?cè)诿姘迳蠈?shí)際構(gòu)建相同的電路并測(cè)量電壓水平。我的連接設(shè)置如下所示。

我已經(jīng)使用了我們之前構(gòu)建的面包板電源。這個(gè)板可以輸出5V和3.3V。我使用5V軌道為兩個(gè)運(yùn)算放大器供電，3.3V作為信號(hào)輸入電壓V2。另一個(gè)輸入電壓V2設(shè)置為2.8V使用我的RPS。由于我還為R使用了10k電阻，為R1使用了22k電阻，因此電路的增益將為1.9。差分電壓為0.5V，增益為1.9，輸出電壓為0.95V，使用萬(wàn)用表測(cè)量并顯示在圖像中。

類似地，您可以使用上面討論的公式更改R1的值來(lái)設(shè)置所需的增益。由于這種放大器的增益可以很容易地控制使用一個(gè)單一的電阻，它經(jīng)常用于音量控制音頻電路。

本文編譯自circuitdigest