仪表放大器优势_仪表放大器典型应用及实例

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。

本文首先介绍了仪表放大器的原理及特点，其次介绍了仪表放大器的优势，最后介绍了仪表放大器典型应用及实例。

仪表放大器的原理

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，使得共模抑制比得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在共模抑制比要求不变情况下，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： Au=（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，仪表放大器典型结构见图1。

仪表放大器的特点

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器， 它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差等特点。

仪表放大器的优势

1、高共模抑制比

仪表放大器具有能够消除任何共模信号（两输入端电位相同）而放大差模信号（两输入端电位不同）的特性。为了使仪表放大器能正常工作， 要求它既能放大微伏级差模信号， 同时又能抑制几伏的共模信号， 实现这种功能的仪表放大器必须具有很高的共模抑制能力。共模抑制比的典型值为70- 100dB.通常， 在高增益时， CMRR 的性能会得到改善， 即高增益时CMRR 较高， 低增益时较低。

2、较小的线性误差

输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正， 而线性误差则是器件的固有缺陷， 不能用外部调整来消除。因此， 仪表放大器线性误差小的特点， 是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的。对于一个高性能的仪表放大器来说，线性误差为0.01%， 有的甚至能达到0.0001%.

3、高输入阻抗

在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡， 为了能很好的匹配， 仪表放大器的输入阻抗不但很高， 而且还具有良好的匹配性能。输入阻抗的典型值为109- 1012欧姆。

4、低噪声

仪表放大器经常被用在恶劣的环境中， 完成较弱信号的拾取和预处理， 所以要求它必须是低噪声器件， 信噪比太低就不能工作。在正常情况下， 当输入信号的频率为1kHZ时， 折合到仪表放大器输入端的噪声应小于10nV/ Hz 。 为了提高信噪比， 一般不希望仪表放大器把自身的噪声加到信号上。

5、低失调电压和低失调电压漂移

仪表放大器的失调电压漂移由两部分组成， 及输入和输出两部分。每一部分均对总增益有影响， 但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源， 而输出部分的影响可以忽略。输入和输出失调的典型值分别为100 V和2mV.此外， 仪表放大器具有优秀的稳定性当工作条件发生变化时， 其关键参数仍然保持稳定。而且使用方便， 只须检测两个输入端的电位差。另外， 由于它的集成度高， 主要元件都做在芯片内部， 外围元件少。

仪表放大器典型应用

1、高边监视器

最简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些精密电阻，常见的高边测量都采用经典的差分放大器（用作增益放大和高边到地的电平转换，见图６）。虽然很多应用中也会使用分离电路，但其输入阻抗较低，而且电阻之间有较大差异。电阻的匹配必须非常精确才能获得可接受的共模抑制比，任一个电阻值存在０．０１％的偏差都将使ＣＭＲＲ降低到８６ｄＢ；如果偏差为０．１％，将使ＣＭＲＲ降低到６６ｄＢ；而１％的偏差将使ＣＭＲＲ降低到４６ｄＢ。选择仪表放大器结构时，有一个需要特别关注的参数，即在放大器任何输出摆幅下，输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。

2、电平转换器

此电路的工作原理可以这样来理解，将ＭＡＸ４１９８看作一个三输入求和放大器（如图７所示），其电压传输函数为Ｖｏｕｔ＝Ｖｂ－Ｖａ＋Ｖｓｈｉｆｔ，此式表明，输出由差分信号与ＲＥＦ输入电压的代数和所决定，ＶＲＥＦ可为任意值，它不会使ＭＡＸ４１９８的放大器输出饱和，ＭＡＸ４１９４也适合作一个精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：－１、２或 ±１ 。

3、应力测量

三运放拓扑的真正优势是其能够进行真正的差分测量（很高的ＣＭＲ），同时又有非常高的输入阻抗，这些特点使其得到了广泛应用，特别是在信号源阻抗非常高的场合。为使信号源对地的漏电流达到最小，本例采用了一些防护技术，信号源电缆采用屏蔽电缆，并将其屏蔽隔离层接到（Ｖｃｍ＋ΔＶ／２）。图８给出了一个包括惠斯通电桥传感器的放大电路，对该电路的电桥阻抗可适当减小，并不会降低仪表放大器的ＣＭＲ值。

仪表放大器应用实例_TI仪表放大器应用

INA128：

图1 管脚分布图

图2 内部原理图

1和8管脚接入电阻，用来设定放大倍数，放大倍数计算公式为G=1+50KΩ/RG。5管脚直接接地即可。其供电电压范围为±2.25~±18V，具有低偏移电压、低偏置电流、高共模抑制比。

图3 应用电路典型连接

图4 电桥法电路连接

左面部分为测量电桥，感知信号变化转化为电压信号，再将此小信号放大即可进行后续处理，如果信号及其微弱，应用中电桥最好使用全桥连接法，此法灵敏度最高，能增强信号精确度。

另外还有INA118、INA217均为仪表运算放大器，管脚功能和结构同INA128。