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，也可由用戶通過引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置。

什么是運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。[1] 由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a(反相輸入端)，b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。)之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。

儀表放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：精度高。缺點(diǎn)：貴

儀表放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

在集成電路工藝中還難與于制造電感元件;制造容量大于200pF的電容也比較困難，而且性能很不穩(wěn)定，所以集成電路中應(yīng)避免使用電容器。而運(yùn)算放大器各級(jí)之間都采用直接耦合，基本不采用電容元件，因此適合用于集成化的要求。

高速運(yùn)放，從飽和退出的時(shí)間，與比較器相比較，依然相當(dāng)長(zhǎng)。

儀表放大器與運(yùn)算放大器的區(qū)別是什么?

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，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。