儀表放大器又名INO，可放大電壓變化并提供與任何其他運算放大器一樣的差分輸出。但與普通放大器不同，儀表放大器將具有高輸入阻抗和良好增益，同時通過全差分輸入提供共模噪聲抑制。

在本文中，將了解這些儀表放大器，此外，還將介紹如何使用LM385或LM324等普通運算放大器來構(gòu)建一個儀表放大器并將其用于我們的應(yīng)用。運算放大器還可用于構(gòu)建電壓加法器和電壓減法器電路。

什么是儀表放大器 IC?

除了普通的運算放大器 IC，我們還有一些用于儀表放大器的特殊類型的放大器，例如INA114 IC。它只不過是為某些特定應(yīng)用組合在一起的幾個普通運算放大器。要了解更多信息，請查看 INA114 的數(shù)據(jù)表以了解其內(nèi)部電路圖。

運算放大器是集成電路，在某種程度上是構(gòu)件。運算放大器的輸入(V +和V-)具有很高的阻抗，因此，很少有電流流入這些輸入。運算放大器性能的通用公式為Vout = A *(V +-V-)，并且A是一個非常大的數(shù)字。當(dāng)以反饋模式接線時，運算放大器可以具有許多不同的配置(即使“開環(huán)”增益非常大)。

根據(jù)定義，差分放大器也具有以下關(guān)系：Vout = A *(V +-V-)，但是A的數(shù)量可能比開環(huán)工作的運放小得多，并且輸入電流不一定是零。輸入阻抗可以相對較低，并且每個輸入的輸入阻抗不必相同。差分放大器可以由一個或多個運算放大器和一些電阻器構(gòu)成，也可以由更多基本部件(例如晶體管)構(gòu)成。

儀表放大器是一種特殊的差分放大器。通常，它是一個差分放大器，但是兩個輸入上的輸入阻抗非常高(意味著非常小的輸入電流)，并且每個輸入都相同。通常有一種方法可以通過一個電阻來改變增益。通常，儀表放大器具有三個運算放大器配置(或等效配置)，其中兩個運算放大器用作輸入級，輸出級是一個簡單的具有參考點的運算放大器差動放大器，可用于移動基線周圍。由于差動放大器上的電阻通常在集成電路內(nèi)部進行激光調(diào)整，因此共模抑制非常高。

儀表放大器這一術(shù)語經(jīng)常被誤用，它指的是器件的應(yīng)用，而非器件的架構(gòu)。在過去，任何被認為精準(zhǔn)(即，實現(xiàn)某種輸入失調(diào)校正)的放大器都被視為“儀表放大器”，這是因為它被設(shè)計為用于測量系統(tǒng)。儀表放大器(即 INA)與運算放大器(運放)相關(guān)，因為二者基于相同的基本構(gòu)件。但 INA 是專用器件，專為特殊功能設(shè)計，并非一個基本構(gòu)件。就這一點而言，儀表放大器不是運放，因為它們的用途不同。

就用途而言，INA與運放之間最顯著的區(qū)別或許是前者缺少反饋回路。運放可配置為執(zhí)行各種功能，包括反相增益、同相增益、電壓跟隨器、積分器、低通濾波器和高通濾波器等。在所有情況下，用戶都會提供從運放的輸出到輸入的反饋回路，此反饋回路決定放大器電路的功能。這種靈活性使運放得以廣泛用于各種應(yīng)用。另一方面，INA的反饋位于內(nèi)部，因此沒有到輸入引腳的外部反饋。INA的配置限制為1個或2個外部電阻，也可能限制為一個可編程寄存器，用于設(shè)置放大器的增益。

INA 專為差分增益和共模抑制功能而設(shè)計和使用。儀表放大器將放大反相輸入和同相輸入間的差值，同時抑制這兩個輸入的任何共用信號，從而使INA的輸出上不存在任何共模成分。增益(反相或同相)配置的運放將以設(shè)定的閉環(huán)增益來放大輸入信號，但輸出上將一直存在共模信號。所關(guān)注信號與共模信號間的增益差會導(dǎo)致共模成分(以差分信號的百分比表示)減少，但運放的輸出上仍存在共模成分，這將限制輸出的動態(tài)范圍。

如上所述，INA用于在存在大量共模成分時提取小信號，但共模成分的形式可能多種多樣。當(dāng)使用采用惠斯通電橋配置(我們將稍后探討)的傳感器時，存在由兩個輸入共用的較大直流電壓。但是，干擾信號可具有多種形式;一個常見來源是來自電源線的50 Hz或60 Hz干擾，更不用說諧波了。這種時變誤差源通常還會隨頻率發(fā)生明顯波動，從而使得在儀表放大器的輸出端進行補償變得極其困難。由于存在這些變化，因此不僅要在直流下，還要在各種頻率下實現(xiàn)共模抑制。

差分放大器

人們的第一個問題可能是：“是否可通過簡單的運放構(gòu)建儀表放大器?”我可以馬上回答你：“是的，可以”。但始終要做出權(quán)衡!人們首先想到的可能是簡單的差分放大器電路(圖1)，有時稱為減法器。

圖 1：差分放大器電路

這是一個非常簡單的電路，可以提供差分增益并具有一定的共模抑制能力，這正是INA的本意所在。對于上文提到的權(quán)衡，此電路中有兩處。首先，我們來看一下輸入阻抗。輸入阻抗由電阻的值決定，其相對較低，大小約為100 k?。其次，輸入阻抗不匹配，這意味著流經(jīng)每個管腳的電流不同，從而導(dǎo)致共模抑制能力受到影響。這一簡單電路的另一個缺點是需要電阻匹配。此電路的共模抑制比主要由電阻對內(nèi)部的匹配程度決定，而非由運放本身決定。只要這些電阻對存在任何不匹配，都會降低共模抑制比。此差分放大器的共模抑制比可按如下公式計算：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率(分數(shù)形式)

例如，假設(shè) R1 = R2 = R3 = R4(提供單位增益)，電阻不匹配率為 1%。利用上述公式可得出：

如本例所示，可通過該簡單電路實現(xiàn)的性能極為有限。即使在手動進行電阻匹配時，也很難實現(xiàn)66 dB以上的共模抑制比。

此外，這并未考慮因溫度所致的波動，不同電阻在溫度系數(shù)上的任何差異都將進一步增大不匹配率，從而導(dǎo)致更差的共模抑制比?？紤]到所有這些因素和限制，單片差分放大器通常是性能相對較高的應(yīng)用的最佳解決方案。

從技術(shù)上說，之前討論的差分放大器電路不是儀表放大器，但對于某些需要高速和/或高共模電壓的應(yīng)用十分有用。對于高精度應(yīng)用而言，真正的儀表放大器通常才是最佳選擇。可利用兩種常見的電路來構(gòu)建儀表放大器，一種電路基于兩個放大器，另一種基于三個放大器。下面將詳細討論這兩種電路。請注意，這些基本電路可利用標(biāo)準(zhǔn)運放來構(gòu)建，但也是當(dāng)今提供的許多單片儀表放大器中使用的基本電路概念。

雙運放INA

圖 2：雙運放儀表放大器電路

圖2給出了基于兩個放大器的常見儀表放大器電路。在該電路中，總體增益通過一個標(biāo)注為“RG”的電阻來設(shè)置，如此可得：

這種電路架構(gòu)的限制之一是它不支持單位增益。盡管大多數(shù)儀表放大器用于提供增益(因此，要實現(xiàn)單位增益也不是難事)，但某些應(yīng)用嚴(yán)格地將儀表放大器專用于共模抑制。因此，對于某些應(yīng)用，假設(shè)將INA用于單位增益配置也是合理的。雙運放INA的另一個限制是輸入的共模范圍有限，尤其是在低增益下和使用單電源運放時。請記住，圖2左側(cè)的放大器必定會將反相節(jié)點處的輸入信號放大1+R1/R2。因此，如果輸入信號的共模電壓過高，放大器將發(fā)生飽和(超出輸出裕量)。高增益下將有更多的放大器裕量，因此在其他所有條件一樣的情況下，電路可支持更寬的輸入信號共模范圍。

之前討論的差分放大器電路的限制之一是較低的輸入阻抗。從圖2中可以看出，雙運放INA電路不存在此問題，因為兩個差分輸入信號直接饋入放大器的輸入引腳，其阻抗通常為幾百萬歐姆。但是，由于輸入信號路徑不同，各差分輸入信號的延時也不同，這就導(dǎo)致不同頻率時的共模抑制比(儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù))較差。與差分放大器電路類似，直流下的共模抑制比同樣受電阻匹配率限制。

相對于分立式解決方案，基于這種雙運放架構(gòu)的單片INA從本質(zhì)上來說將具有更好的電阻匹配和溫度跟蹤性能，因為基于硅的電阻可通過微調(diào)來提供大約0.01%的匹配率。但雙運放INA架構(gòu)仍有一些明確的限制，不改變電路架構(gòu)的情況下無法克服這些限制。

三運放INA

第二個常見的INA電路基于三個運算放大器，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，此電路的后半部分與之前討論的差分放大器完全相同。在電路的前端添加兩個運算放大器緩沖器可提供較高且匹配良好的阻抗源。這有助于緩解與簡單差分電路有關(guān)的主要問題之一。末端的差分放大器可以抑制共模成分。

圖3：傳統(tǒng)的三運放儀表電路

在該配置中，電路的增益通過標(biāo)注為RG的電阻的值來設(shè)置?，F(xiàn)在看一下輸入級，輸入級包含兩個運算放大器，無論前兩個放大器的差分增益(由RG設(shè)定)如何，所有共模信號均以單位增益為系數(shù)進行放大。因此，無論增益如何，此電路均可提供較寬的共模范圍(受前兩個放大器的裕量限制)。與之前討論的雙運放INA相比，這是一大優(yōu)勢。差分放大器隨后會消除任何共模成分。與之前討論過的架構(gòu)類似，共模抑制性能取決于電阻匹配率，如下所示：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率

由于共模成分始終伴隨單位增益這一事實，三運放儀表放大器的共模抑制比將隨差分增益的大小成比例增大。

許多單片儀表放大器均基于這一電路概念。單片解決方案提供完美匹配的放大器，并且能夠使用微調(diào)電阻，從而實現(xiàn)優(yōu)秀的共模抑制性能和較高的增益精度。近年來，單片儀表放大器對這一基本架構(gòu)進行了額外的改進。例如，電流模式拓撲無需高精度電阻匹配便可實現(xiàn)高共模抑制比。在任何情況下，使用運算放大器和分立式元件的分立式解決方案通常都會提高成本并降低性能。

運算放大器的概念

運算放大器(常簡稱為“運放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。

目前運算放大器主體部分已集成化, 故運算放大器也稱為集成放大電路,采用半導(dǎo)體制造工藝將二極管,三級管,電阻等元件及它們之間的邊線,集成在一塊半導(dǎo)體基片上,構(gòu)成一個具有特定功能的完整電路系統(tǒng)。

其實內(nèi)部是一個高放大倍數(shù)的直接耦合放大電路,內(nèi)部一般包括:輸入級,中間級,輸出級和偏置電路四部分.它們的關(guān)系可表示如下圖:運算放大器的主要特點

運算放大器的主要特點是電壓增益大,輸入電阻大,輸出電阻小。

運算放大器的分類

有兩種分類方法,分別為按特性不同分和按結(jié)構(gòu)不同分,具體內(nèi)容可以用圖表示如下:運算放大器的特點

(1)集成運算放大器采用直接耦合放大電路,對直流信號和交流信號都有放大作用.

(2)為克服零漂現(xiàn)象,提高共模抑制比,輸入端全部采用差分放大電路,并采用恒流源供電.

(3)采用復(fù)合管提高電路的增益.

(4)電路中的無源器件多用有源器件來代替.

(5)總結(jié)可得最重要的三個特性是:1,高輸入阻抗;2,高電壓增益;3,低輸出阻抗.

運算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運放的性能指標(biāo)較多,可主要常用的幾種有:

(1)開環(huán)差模電路增益 (2)輸入失調(diào)電壓及失調(diào)電壓溫漂 (3)輸入失調(diào)電流及失調(diào)電流溫漂 (4)差模輸入電阻 (5)輸入電阻 (6)共模抑制比 (7)截止頻率 (8)轉(zhuǎn)換速率

運算放大器的功能

運放有相加、相 減、比例放大、積分微分等運算功能,運放可以構(gòu)成的簡單高通、低通濾波器?？梢灾瞥刹ㄐ伟l(fā)生器。