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儀表放大器是什么？具有哪些特點與優(yōu)勢？

時間：2023-06-21 09:40:01

關鍵字：儀表放大器阻抗匹配

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[導讀]儀表放大器(英語：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡稱INA)，差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。

儀表放大器(英語：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡稱INA)，差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環(huán)增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗。儀表放大器用于需要精確性和穩(wěn)定性非常高的電路。雖然儀表放大器在線路圖上是一顆運算放大器;但實際上是由三顆運算放大器所組成;儀表放大器分成兩個部分，輸入端的兩個電壓跟隨器提供輸入端(+,?)高輸入阻抗，后級則是差分放大器，用來做兩個輸入端的差分放大;不過，通常第二級的差分放大器的增益會設計為1，也就是只做兩個電壓的相減運算。

儀表放大器是差分放大器的改進型，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，適用于測量和電子儀器。特性包括非常低的直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環(huán)增益、非常大的共模抑制比和高輸入阻抗，儀表放大器用于需要非常高的精度和穩(wěn)定性的電路中。

主要用于放大小差分信號，儀表放大器提供最重要的共模抑制 (CMR) 功能。它消除了在兩個輸入上具有相同電位的任何信號。輸入之間具有電位差的信號被放大。

儀表放大器 (In-Amp) 用于低頻信號 (<1 MHz) 以提供大量增益。它放大輸入信號，抑制輸入信號中存在的共模噪聲。

目前的儀表放大器，大多被許多制造商(包括德州儀器，國家半導體，美國模擬器件公司，凌力爾特和Maxim Integrated Products)作成IC形式，不但可以降低電阻阻抗匹配的問題，而且使用上也很方便，線路面積也相對的縮小，例如AD620,MAX4194,LT1167andINA128.儀表放大器也可以使用“間接電流反饋結構”，從而延長這些放大器的工作范圍負電源端，或在某些情況下，只使用正電源軌設計。在負電源端接地的單電源系統(tǒng)中特別有用，利用這種架構的元件有MAX4208/MAX4209和AD8129/AD8130。無反饋的儀表放大器(Feedback-free instrumentation amplifier)是沒有外部反饋網(wǎng)絡設計的高輸入阻抗的差分放大器。這使得放大器的數(shù)量減少(而不是三個)，降低噪音(沒有熱噪聲所帶來的反饋電阻)和更高的帶寬(沒有頻率補償)。這樣設計的放大器請參考這里。斬波穩(wěn)定(或零漂)儀表放大器如LTC2053使用開關輸入前端，以消除直流偏移誤差和漂移。

隨著電子技術的飛速發(fā)展，運算放大電路也得到廣泛的應用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運算放大器，且優(yōu)于運算放大器。儀表放大器把關鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨特的結構使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號放大、高速信號調節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設備等方面倍受青睞。

本文首先介紹了儀表放大器的原理及特點，其次介紹了儀表放大器的優(yōu)勢，最后介紹了儀表放大器典型應用及實例。

儀表放大器的原理

儀表放大器電路的典型結構如圖1所示。它主要由兩級差分放大器電路構成。其中，運放A1， A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減;差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得共模抑制比得到提高。這樣在以運放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在共模抑制比要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4， Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2， R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為： Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可見，電路增益的調節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)，儀表放大器典型結構見圖1。

儀表放大器的特點

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差、低失調電壓和失調電壓漂移、低輸入偏置電流和失調電流誤差等特點。

儀表放大器的優(yōu)勢

1、高共模抑制比

儀表放大器具有能夠消除任何共模信號(兩輸入端電位相同)而放大差模信號(兩輸入端電位不同)的特性。為了使儀表放大器能正常工作，要求它既能放大微伏級差模信號，同時又能抑制幾伏的共模信號，實現(xiàn)這種功能的儀表放大器必須具有很高的共模抑制能力。共模抑制比的典型值為70- 100dB.通常，在高增益時， CMRR 的性能會得到改善，即高增益時CMRR 較高，低增益時較低。

2、較小的線性誤差

輸入失調和比例系數(shù)都能通過外部調整加以修正，而線性誤差則是器件的固有缺陷，不能用外部調整來消除。因此，儀表放大器線性誤差小的特點，是由廠家通過采用先進生產(chǎn)工藝和芯片結構設計來實現(xiàn)的。對于一個高性能的儀表放大器來說，線性誤差為0.01%，有的甚至能達到0.0001%.

3、高輸入阻抗

在實際應用電路中信號源阻抗可能很高或不平衡，為了能很好的匹配，儀表放大器的輸入阻抗不但很高，而且還具有良好的匹配性能。輸入阻抗的典型值為109- 1012歐姆。

4、低噪聲

儀表放大器經(jīng)常被用在惡劣的環(huán)境中，完成較弱信號的拾取和預處理，所以要求它必須是低噪聲器件，信噪比太低就不能工作。在正常情況下，當輸入信號的頻率為1kHZ時，折合到儀表放大器輸入端的噪聲應小于10nV/ Hz 。為了提高信噪比，一般不希望儀表放大器把自身的噪聲加到信號上。

5、低失調電壓和低失調電壓漂移

儀表放大器的失調電壓漂移由兩部分組成，及輸入和輸出兩部分。每一部分均對總增益有影響，但當增益提高時輸入部分的失調漂移將成為主要的誤差源，而輸出部分的影響可以忽略。輸入和輸出失調的典型值分別為100 V和2mV.此外，儀表放大器具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性當工作條件發(fā)生變化時，其關鍵參數(shù)仍然保持穩(wěn)定。而且使用方便，只須檢測兩個輸入端的電位差。另外，由于它的集成度高，主要元件都做在芯片內(nèi)部，外圍元件少。

儀表放大器典型應用

1、高邊監(jiān)視器

最簡單的高邊監(jiān)視器通常需要一個精密運算放大器和一些精密電阻，常見的高邊測量都采用經(jīng)典的差分放大器(用作增益放大和高邊到地的電平轉換，見圖6)。雖然很多應用中也會使用分離電路，但其輸入阻抗較低，而且電阻之間有較大差異。電阻的匹配必須非常精確才能獲得可接受的共模抑制比，任一個電阻值存在0.01%的偏差都將使CMRR降低到86dB;如果偏差為0.1%，將使CMRR降低到66dB;而1%的偏差將使CMRR降低到46dB。選擇儀表放大器結構時，有一個需要特別關注的參數(shù)，即在放大器任何輸出擺幅下，輸入共模電壓的范圍均應包括高邊電壓加上一個安全裕量。

2、電平轉換器

此電路的工作原理可以這樣來理解，將MAX4198看作一個三輸入求和放大器(如圖7所示)，其電壓傳輸函數(shù)為Vout=Vb-Va+Vshift，此式表明，輸出由差分信號與REF輸入電壓的代數(shù)和所決定，VREF可為任意值，它不會使MAX4198的放大器輸出飽和，MAX4194也適合作一個精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：-1、2或 ±1 。

3、應力測量

三運放拓撲的真正優(yōu)勢是其能夠進行真正的差分測量(很高的CMR)，同時又有非常高的輸入阻抗，這些特點使其得到了廣泛應用，特別是在信號源阻抗非常高的場合。為使信號源對地的漏電流達到最小，本例采用了一些防護技術，信號源電纜采用屏蔽電纜，并將其屏蔽隔離層接到(Vcm+ΔV/2)。圖8給出了一個包括惠斯通電橋傳感器的放大電路，對該電路的電橋阻抗可適當減小，并不會降低儀表放大器的CMR值。

儀表放大器應用實例_TI儀表放大器應用

INA128：

圖1 管腳分布圖

圖2 內(nèi)部原理圖

1和8管腳接入電阻，用來設定放大倍數(shù)，放大倍數(shù)計算公式為G=1+50KΩ/RG。5管腳直接接地即可。其供電電壓范圍為±2.25~±18V，具有低偏移電壓、低偏置電流、高共模抑制比。

圖3 應用電路典型連接

圖4 電橋法電路連接

左面部分為測量電橋，感知信號變化轉化為電壓信號，再將此小信號放大即可進行后續(xù)處理，如果信號及其微弱，應用中電橋最好使用全橋連接法，此法靈敏度最高，能增強信號精確度。

另外還有INA118、INA217均為儀表運算放大器，管腳功能和結構同INA128。

開發(fā)儀表放大器是為了獲得比典型差分放大器更多的優(yōu)勢。這就是為什么儀表放大器被用于大多數(shù)商業(yè)應用的原因。但是它也有一些缺點。讓我們討論一些儀表放大器的優(yōu)缺點。

優(yōu)點

1.測量的精度和精確度：儀表放大器用于測試和測量目的。儀表放大器不需要匹配輸入阻抗。這就是為什么它們在測試中如此有用的原因。較高的CMRR，較高的輸入阻抗等較好的參數(shù)值也具有優(yōu)勢。