如何选择仪表放大器_仪表放大器的选择分析

什么是仪表放大器

这是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。

随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

仪表放大器构成原理

仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=（1+2R1/Rg）Rf/R3。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。

仪表放大器特点

● 高共模抑制比

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

● 高输入阻抗

要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为 10^9～10^12Ω。

● 低噪声

由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在 1 kHz 条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于 10 nV/ Hz.

● 低线性误差

输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0. 01 % ，有的甚至低于 0. 0001 %.

● 低失调电压和失调电压漂移

仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为 100μV 和2 mV.

● 低输入偏置电流和失调电流误差

双极型输入运算放大器的基极电流，FET 型输入运算放大器的栅极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA～50 pA ；而 FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50 pA.

● 充裕的带宽

仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz～4 MHz 之间。

● 具有“检测”端和“参考”端

仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降（ IR） 的影响可减至最小。

深入解析如何选择仪表放大器

信号源的输出阻抗常常达几kΩ或更大，因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在DC到约1MHz之间。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。

运放的关键参数

设计工程师确定放大器时，主要关心的是电源电流、–3dB带宽、共模抑制比（CMRR）、输入电压补偿和补偿电压温漂、噪声（指输入）以及输入偏置电流。

三运放仪表放大器的内部结构

大多数仪表放大器采用3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器（图1a）。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。

图1

二运放仪表放大器结构

可以采用具有两个运放的较少元器件的结构替代（图1b），但有两个缺点。首先，不对称的结构使CMRR较低，特别是高频时。其次，由于第一级的增益量有限。输出误差反馈回输入端，导致相对输入的噪声和补偿误差更大。

如何保护仪表放大器的输入免受过电压的影响？

设计师需要采用外部限流电阻来防止过电压通过内部静电放电（ESD）箝位二极管驱动过高的电流。这些电阻的值取决于仪表放大器的噪声水平、电源电压，以及需要的过压保护，推荐值见器件的datasheet。

这些电阻增加了噪声，所以一种可替代的方案是使用外部高电流箝位二极管和阻值非常小的电阻。遗憾的是，大多数普通二极管的漏电流太大，会产生大的输出漂移误差，该误差随温度变化呈指数关系增加，所以设计师不应该将标准二极管用于高阻抗信号源。

什么是RFI整流？如何预防？

传感器与仪表放大器之间的长引线会引起RF。仪表放大器随之将此RF整流为DC偏移。图2给出了一个方案，可在RF到达仪表放大器前就将其滤掉。元件R1a和C1a在同相端构成一低通滤波器，R1b和C1b在反相端同样构成低通滤波器。

图2

这两个低通滤波器截止频率的很好匹配很重要。否则，共模信号将会被转换为差分信号。C2在高频段将输入“短路”，能在一定程度上降低这种要求，C2值的大小应该至少为C1的10倍。

虽然如此，C1a和C1b的匹配仍很关键，应该选用±5%C0G薄膜电容。该滤波器的差分带宽为［1/2πR（2C2+C1）］，共模带宽为［1/2πR1C1）］。

购买单片放大器和用运放构建一个仪表放大器两者的利弊是什么？

用分立运放构建一个仪表放大器的最主要理由是在市面上找不到所需要的仪表放大器。不同厂家生产的运放有5000种以上的型号，而仪表放大器型号只有约100种。

但是，若能找到一款满足性能要求的单片仪表放大器，那就用它，不要再自己构建。这样，会节省开发时间，并且单片部件的体积肯定小。

此外，CMRR性能会更好。由于多数电阻都在片上，板寄生效应要小的多。另一个优点是，对于任何额定电流，单片设计的噪声和带宽参数通常都更好。

三运放测量（仪表）放大器内部电路分析

在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器。

上图是目前广泛应用的三运放测量放大器电路。测量放大器电路还具有增益调节功能，调节RG可以改变增益而不影响电路的对称性。其中A1、A2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和开环增益）的通用集成运放，工作于同相放大方式，构成平衡对称的差动放大输入级，A3工作于差动放大方式，用来进一步抑制A1、A2的共模信号，并接成单端输出方式适应接地负载的需要。

该电路分析如下：

测量放大器的共模抑制比主要取决于输入级运放A1、A2的对称性以及输出级运放A3的共模抑制比和输出级外接电阻R3、R5及R4、R6的匹配精度（±0.1%以内）。一般其共模抑制比可达120dB以上。

此外，测量放大器电路还具有增益调节功能，调节RG可以改变增益而不影响电路的对称性。而且由于输入级采用了对称的同相放大器，输入电阻可达数百兆欧以上。

目前，许多公司已开发出各种高质量的单片集成测量放大器，通常只需外接电阻RG用于设定增益，外接元件少，使用灵活，能够处理几微伏到几伏的电压信号。