仪表放大器：仪表放大器

仪表放大器概述

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

1、高共模抑制比

共模抑制比(CMRR) 则是差模增益(Ad) 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70～100dB以上。

2、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109～1012Ω.

3、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1kHz条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/ Hz.

4、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%.

5、、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2mV。

仪表放大器的设计要点

(1)注意关键元器件的选取,要注意使运放 的特性尽可能一致;选用电阻时,应该使用低温度系数的电阻,以获得尽可能低的漂移;对 R3,R4,R5 和 R6 的选择应尽可能匹配.

(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施,比如在电源的引入端增加电源退耦电容,在信号输入端增加 RC 低通滤波或在运放 A1,A2 的反馈回路增加高频消噪电容,在 PCB 设计中精心布局合理布线,正确处理 地线等,以提高电路的抗干扰能力,最大限度地发挥电路的性能.