仪用放大器的设计和应用

只看该作者 · 2012-3-24 10:29

一、仪用放大器的介绍：
   仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是，它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。而噪声通常都是公共模噪声，所以在电路设计要求上，电路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度，在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。例：

在这些应用中，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1 MHz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。
二、仪用放大器的基本电路：
大多数仪用放大器采用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。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。如下图：

三运放方案是仪表放大器采用的惟一结构吗？
可以采用具有两个运放的较少元器件的结构替代，但有两个缺点(图 1b)。首先，不对称的结构使CMRR较低，特别是高频时。其次，可用于第一级的增益量有限。输出级误差则反馈回输入端，导致相对入的噪声和补偿误差更大。

也有单运放组成的仪用放大器，在最基本的拓扑结构中，一个仪用放大器可由一个单一的运算放大器，见附录.
三、仪用放大器的信号放大原理：

现所设计的仪用放大器是三运放结构，如上图。它是由运放A1，A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，Vi1,Vi2分别加到A1和A2的同向端，Rg和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈。由A1、A2虚短可得
Vi1=V2；Vi2=V3；                                  3.1
又由A1、A2虚断可得
                                    3.2
又由A3虚断可得
；整理得                      3.3
   ；整理得                   3.4
由A3虚短可得
V5=V6；                                           3.5
则由3.3式、3.4式和3.5式可得

整理后可得
                  3.6
在上式中，如果我们选取电阻满足  的关系，则输出电压可化简为
                                             3.7
根据式3.2和3.7我们可以得到
                           3.8
而我们为了是电路对称，提高仪用放大器性能，我们选取电阻应满足R5=R6的关系，且VREF通常接地，当我们对仪用放大器进行电路调零时，我们才会将VREF赋予一定电压（这在后面进行电路调零时会具体讲到），最终我们会得到输出电压的关系式为
                                          3.9
电压增益则为
                                          3.10
从该式中我们可直观的看到，我们可以根据选取R2/R1 和R5/Rg 电阻的比例关系，来达到不同的信号放大比例要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计最重要的环节之一。很多仪用放大器芯片，考虑到电路的稳定和安全，一般都固定R1~R6的阻值，只将Rg设置成可调（在后面会有相应说明）。
在前面我们提到过仪用放大器有很高的共模增益，现在我们根据下面的例子来说明其对共模的抑制作用。

根据上面的图片可知在输入端

根据图所示，最后得 Vo=G•VD
再此Vcm 即为共模信号，而VD 即为差摸信号，而噪声大多都是共模信号，经过该电路据可以被抑制而滤出我们所要的信号。