什么是儀表放大器

這是一個特殊的差動放大器，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。

隨著電子技術的飛速發展，運算放大電路也得到廣泛的應用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運算放大器，且優于運算放大器。儀表放大器把關鍵元件集成在放大器內部，其獨特的結構使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點，使其在數據采集、傳感器信號放大、高速信號調節、醫療儀器和高檔音響設備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環增益組件，具有差分輸入和相對參考端的單端輸出。與運算放大器不同之處是運算放大器的閉環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部反饋電阻網絡。儀表放大器的 2 個差分輸入端施加輸入信號，其增益即可由內部預置，也可由用戶通過引腳內部設置或者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻預置。

儀表放大器構成原理

儀表放大器電路的典型結構如圖1所示。它主要由兩級差分放大器電路構成。其中，運放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，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。這樣在以運放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，電路增益的調節可以通過改變Rg阻值實現。

儀表放大器特點

● 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

輸入失調和比例系數誤差能通過外部的調整來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，它不能由外部調整來消除。一個高質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 %.

● 低失調電壓和失調電壓漂移

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

● 低輸入偏置電流和失調電流誤差

雙極型輸入運算放大器的基極電流，FET 型輸入運算放大器的柵極電流，這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調誤差。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用提供了足夠的帶寬，典型的單位增益小信號帶寬在 500 kHz～4 MHz 之間。

● 具有“檢測”端和“參考”端

儀表放大器的獨特之處還在于帶有“檢測”端和“參考”端，允許遠距離檢測輸出電壓而內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

信號源的輸出阻抗常常達幾kΩ或更大，因此，儀表放大器的輸入阻抗非常大——通常達數GΩ，它工作在DC到約1MHz之間。在更高頻率處，輸入容抗的問題比輸入阻抗更大。高速應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。

運放的關鍵參數

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

三運放儀表放大器的內部結構

大多數儀表放大器采用3個運算放大器排成兩級：一個由兩運放組成的前置放大器，后面跟一個差分放大器（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，還能在需要時提供一定的附加增益。

圖1

二運放儀表放大器結構

可以采用具有兩個運放的較少元器件的結構替代（圖1b），但有兩個缺點。首先，不對稱的結構使CMRR較低，特別是高頻時。其次，由于第一級的增益量有限。輸出誤差反饋回輸入端，導致相對輸入的噪聲和補償誤差更大。

如何保護儀表放大器的輸入免受過電壓的影響？

設計師需要采用外部限流電阻來防止過電壓通過內部靜電放電（ESD）箝位二極管驅動過高的電流。這些電阻的值取決于儀表放大器的噪聲水平、電源電壓，以及需要的過壓保護，推薦值見器件的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，大多數普通二極管的漏電流太大，會產生大的輸出漂移誤差，該誤差隨溫度變化呈指數關系增加，所以設計師不應該將標準二極管用于高阻抗信號源。

什么是RFI整流？如何預防？

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

圖2

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

雖然如此，C1a和C1b的匹配仍很關鍵，應該選用±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）］。

購買單片放大器和用運放構建一個儀表放大器兩者的利弊是什么？

用分立運放構建一個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。不同廠家生產的運放有5000種以上的型號，而儀表放大器型號只有約100種。

但是，若能找到一款滿足性能要求的單片儀表放大器，那就用它，不要再自己構建。這樣，會節省開發時間，并且單片部件的體積肯定小。

此外，CMRR性能會更好。由于多數電阻都在片上，板寄生效應要小的多。另一個優點是，對于任何額定電流，單片設計的噪聲和帶寬參數通常都更好。

三運放測量（儀表）放大器內部電路分析

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

上圖是目前廣泛應用的三運放測量放大器電路。測量放大器電路還具有增益調節功能，調節RG可以改變增益而不影響電路的對稱性。其中A1、A2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和開環增益）的通用集成運放，工作于同相放大方式，構成平衡對稱的差動放大輸入級，A3工作于差動放大方式，用來進一步抑制A1、A2的共模信號，并接成單端輸出方式適應接地負載的需要。

該電路分析如下：

測量放大器的共模抑制比主要取決于輸入級運放A1、A2的對稱性以及輸出級運放A3的共模抑制比和輸出級外接電阻R3、R5及R4、R6的匹配精度（±0.1%以內）。一般其共模抑制比可達120dB以上。

此外，測量放大器電路還具有增益調節功能，調節RG可以改變增益而不影響電路的對稱性。而且由于輸入級采用了對稱的同相放大器，輸入電阻可達數百兆歐以上。

目前，許多公司已開發出各種高質量的單片集成測量放大器，通常只需外接電阻RG用于設定增益，外接元件少，使用靈活，能夠處理幾微伏到幾伏的電壓信號。