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。

本文首先介紹了儀表放大器的原理及特點(diǎn)，其次介紹了儀表放大器的優(yōu)勢(shì)，最后介紹了儀表放大器典型應(yīng)用及實(shí)例。

儀表放大器的原理

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，使得共模抑制比得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在共模抑制比要求不變情況下，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： Au=（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)，儀表放大器典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

儀表放大器的特點(diǎn)

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器， 它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差等特點(diǎn)。

儀表放大器的優(yōu)勢(shì)

1、高共模抑制比

儀表放大器具有能夠消除任何共模信號(hào)（兩輸入端電位相同）而放大差模信號(hào)（兩輸入端電位不同）的特性。為了使儀表放大器能正常工作， 要求它既能放大微伏級(jí)差模信號(hào)， 同時(shí)又能抑制幾伏的共模信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)這種功能的儀表放大器必須具有很高的共模抑制能力。共模抑制比的典型值為70- 100dB.通常， 在高增益時(shí)， CMRR 的性能會(huì)得到改善， 即高增益時(shí)CMRR 較高， 低增益時(shí)較低。

2、較小的線性誤差

輸入失調(diào)和比例系數(shù)都能通過(guò)外部調(diào)整加以修正， 而線性誤差則是器件的固有缺陷， 不能用外部調(diào)整來(lái)消除。因此， 儀表放大器線性誤差小的特點(diǎn)， 是由廠家通過(guò)采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝和芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一個(gè)高性能的儀表放大器來(lái)說(shuō)，線性誤差為0.01%， 有的甚至能達(dá)到0.0001%.

3、高輸入阻抗

在實(shí)際應(yīng)用電路中信號(hào)源阻抗可能很高或不平衡， 為了能很好的匹配， 儀表放大器的輸入阻抗不但很高， 而且還具有良好的匹配性能。輸入阻抗的典型值為109- 1012歐姆。

4、低噪聲

儀表放大器經(jīng)常被用在惡劣的環(huán)境中， 完成較弱信號(hào)的拾取和預(yù)處理， 所以要求它必須是低噪聲器件， 信噪比太低就不能工作。在正常情況下， 當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為1kHZ時(shí)， 折合到儀表放大器輸入端的噪聲應(yīng)小于10nV/ Hz 。 為了提高信噪比， 一般不希望儀表放大器把自身的噪聲加到信號(hào)上。

5、低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移

儀表放大器的失調(diào)電壓漂移由兩部分組成， 及輸入和輸出兩部分。每一部分均對(duì)總增益有影響， 但當(dāng)增益提高時(shí)輸入部分的失調(diào)漂移將成為主要的誤差源， 而輸出部分的影響可以忽略。輸入和輸出失調(diào)的典型值分別為100 V和2mV.此外， 儀表放大器具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性當(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)， 其關(guān)鍵參數(shù)仍然保持穩(wěn)定。而且使用方便， 只須檢測(cè)兩個(gè)輸入端的電位差。另外， 由于它的集成度高， 主要元件都做在芯片內(nèi)部， 外圍元件少。

儀表放大器典型應(yīng)用

1、高邊監(jiān)視器

最簡(jiǎn)單的高邊監(jiān)視器通常需要一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一些精密電阻，常見(jiàn)的高邊測(cè)量都采用經(jīng)典的差分放大器（用作增益放大和高邊到地的電平轉(zhuǎn)換，見(jiàn)圖６）。雖然很多應(yīng)用中也會(huì)使用分離電路，但其輸入阻抗較低，而且電阻之間有較大差異。電阻的匹配必須非常精確才能獲得可接受的共模抑制比，任一個(gè)電阻值存在０．０１％的偏差都將使ＣＭＲＲ降低到８６ｄＢ；如果偏差為０．１％，將使ＣＭＲＲ降低到６６ｄＢ；而１％的偏差將使ＣＭＲＲ降低到４６ｄＢ。選擇儀表放大器結(jié)構(gòu)時(shí)，有一個(gè)需要特別關(guān)注的參數(shù)，即在放大器任何輸出擺幅下，輸入共模電壓的范圍均應(yīng)包括高邊電壓加上一個(gè)安全裕量。

2、電平轉(zhuǎn)換器

此電路的工作原理可以這樣來(lái)理解，將ＭＡＸ４１９８看作一個(gè)三輸入求和放大器（如圖７所示），其電壓傳輸函數(shù)為Ｖｏｕｔ＝Ｖｂ－Ｖａ＋Ｖｓｈｉｆｔ，此式表明，輸出由差分信號(hào)與ＲＥＦ輸入電壓的代數(shù)和所決定，ＶＲＥＦ可為任意值，它不會(huì)使ＭＡＸ４１９８的放大器輸出飽和，ＭＡＸ４１９４也適合作一個(gè)精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：－１、２或 ±１ 。

3、應(yīng)力測(cè)量

三運(yùn)放拓?fù)涞恼嬲齼?yōu)勢(shì)是其能夠進(jìn)行真正的差分測(cè)量（很高的ＣＭＲ），同時(shí)又有非常高的輸入阻抗，這些特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，特別是在信號(hào)源阻抗非常高的場(chǎng)合。為使信號(hào)源對(duì)地的漏電流達(dá)到最小，本例采用了一些防護(hù)技術(shù)，信號(hào)源電纜采用屏蔽電纜，并將其屏蔽隔離層接到（Ｖｃｍ＋ΔＶ／２）。圖８給出了一個(gè)包括惠斯通電橋傳感器的放大電路，對(duì)該電路的電橋阻抗可適當(dāng)減小，并不會(huì)降低儀表放大器的ＣＭＲ值。

儀表放大器應(yīng)用實(shí)例_TI儀表放大器應(yīng)用

INA128：

圖1 管腳分布圖

圖2 內(nèi)部原理圖

1和8管腳接入電阻，用來(lái)設(shè)定放大倍數(shù)，放大倍數(shù)計(jì)算公式為G=1+50KΩ/RG。5管腳直接接地即可。其供電電壓范圍為±2.25~±18V，具有低偏移電壓、低偏置電流、高共模抑制比。

圖3 應(yīng)用電路典型連接

圖4 電橋法電路連接

左面部分為測(cè)量電橋，感知信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再將此小信號(hào)放大即可進(jìn)行后續(xù)處理，如果信號(hào)及其微弱，應(yīng)用中電橋最好使用全橋連接法，此法靈敏度最高，能增強(qiáng)信號(hào)精確度。

另外還有INA118、INA217均為儀表運(yùn)算放大器，管腳功能和結(jié)構(gòu)同INA128。