了解三运放仪表放大器

在本文中，我们将讨论具有高共模抑制并提供高和相等输入阻抗的仪表放大器（仪表放大器）。我们还将探讨常用仪表放大器（通常称为三运仪表放大器）的优缺点。

在本系列的前几篇文章中，我们讨论了仪表放大器（仪表放大器）应具有 高共模抑制 以及 高阻抗和相等输入阻抗 以成功提取小差分信号。

在本文中，我们将介绍一种常用的仪表放大器，通常称为三运放大器仪表放大器。我们将看到，三运放仪表放大器采用具有几个有趣功能的巧妙架构。

经典的三运放仪表放大器

图1所示的三运放结构是一种常用的仪表放大器电路，可提供高CMRR和平衡、高输入阻抗。

图1

上面的示意图可以分解为两部分。输入级主要用作缓冲器。输出级为 上一篇文章中讨论的差动放大器.正如我们将在下面看到的，三运放仪表放大器采用了具有几个有趣功能的巧妙架构。

高平衡输入阻抗

节点A和B都连接到相应运算放大器的同相输入端。这提供了高、平衡的输入阻抗，而无需诉诸复杂的反馈技术。

输入级可提供高差分增益和共模抑制比

让我们首先计算输入级的微分增益。负反馈连同运算放大器的高增益将迫使 A 1和 A 2的反相和非反相输入具有相同的电压。因此，我们有：

通过 R G并因此通过 R 5和 R 6 的电流将为：

因此，当 R 5 =R 6时，差分放大器输入端的电压差将为：

这简化为

我们知道差动放大器的增益为：

因此，我们有：

因此，电路的总差模增益为：

公式1显示输入级的差分增益AD1，可以通过选择 R 的值进行调整5 和 RG.例如，图 1 和 R 中的典型值5=50 kΩ， AD1 将是：

输入级的共模增益是多少？基于以上分析，v一个=vB、R 两端的电压G 将为零。因此，没有电流会流过R5/ 1G和 R6;我们有：

总而言之，输入级可以给我们很大的差分增益，同时以单位增益传递共模信号。这导致输入级的CMRR相对较高。接下来，差动放大器将进一步抑制该残余共模信号。输入级的一个有趣特性是，增加差分增益也会增加CMRR。

通过设置单个电阻的值来调节增益

从公式1可以看出，我们可以通过调整单个电阻R的值来调整仪表放大器的差分增益。G.这很重要，因为与电路中的其他电阻不同，R 的值G 不需要与任何其他电阻器匹配。

例如，如果我们尝试通过更改 R 的值来设置增益5，我们还需要更改 R6 因此。实现匹配的可调电阻比调整单个电阻更具挑战性。

源电阻未出现在增益公式中

考虑下面图2所示的桥梁测量系统。

图2.

应用戴维宁定理，我们可以对桥梁进行建模，如图 3 所示。

图3.

在这里，RTh1 和 RTh2 是两个桥分支的等效电阻;和 VTh1 和 VTh2 是节点 A 和 B 的戴维宁等效电压。此外，上图通过R模拟放大器输入端“看到”的阻抗在1和 Rin2.

该模型表明，分压器是由放大器的输入阻抗和电桥的等效电阻产生的。该分压器确定放大器输入端出现的电压。因此，对于输入阻抗相对较小的增益级（如差动放大器），总增益将是R的函数。Th1 和 RTh2.这会导致增益可预测性差并降低精度。

但是，三运放仪表放大器在其输入端提供非常高的阻抗。因此，电桥的戴维宁等效电压出现在放大器输入端，而不会被分压器衰减。由于源电阻不会出现在增益方程中，因此我们获得了更可预测的增益和更高的精度。

减小共模电压范围

三运放仪表放大器的一个限制是，如果我们试图在输入级实现非常高的差分增益，则输入共模范围可能会受到限制。

如图4所示，当差模信号为vd 在 V 共模电压下运行c 施加到输入，节点 n 处的电压3 和 n4 将分别为 （v_c-A_{d1}frac{vd}{2}） 和 （v_c+A_{d1}frac{vd}{2}）。在这里，一个D1 是上述公式2给出的输入级的差分增益。在c−一个d1在d2vc−Ad1vd2 和 在c+一个d1在d2vc+Ad1vd2分别。在这里，一个

图4

与 vd=10 mV 和 AD1=1000，节点n处的电压4 将为 vc+5V.该电压应在输出放大器的共模范围内，A3，所以它不会饱和。如您所见，根据输入级的差模增益，我们需要设置输入共模电压v的上限c.

结论

三运放仪表放大器是一种常用的结构，可以放大差分信号，同时剥离任何共模电压。该电路的一个优点是，不需要与电路中任何其他电阻匹配的单个电阻决定了增益。这使我们能够更轻松地调整电路增益。此外，对于三运放大器仪表放大器，源阻抗在增益计算中不起作用。

这些优势是以额外的信号延迟和减小共模电压范围为代价实现的。