儀表放大器是什么？具有哪些特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)？

儀表放大器(英語(yǔ)：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡(jiǎn)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(cè)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(kāi)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(yùn)算放大器;但實(shí)際上是由三顆運(yùn)算放大器所組成;儀表放大器分成兩個(gè)部分，輸入端的兩個(gè)電壓跟隨器提供輸入端(+,?)高輸入阻抗，后級(jí)則是差分放大器，用來(lái)做兩個(gè)輸入端的差分放大;不過(guò)，通常第二級(jí)的差分放大器的增益會(huì)設(shè)計(jì)為1，也就是只做兩個(gè)電壓的相減運(yùn)算。

儀表放大器是差分放大器的改進(jìn)型 ，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，適用于測(cè)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(kāi)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(hào)，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(gè)輸入上具有相同電位的任何信號(hào)。輸入之間具有電位差的信號(hào)被放大。

儀表放大器 (In-Amp) 用于低頻信號(hào) (<1 MHz) 以提供大量增益。它放大輸入信號(hào)，抑制輸入信號(hào)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(guó)家半導(dǎo)體，美國(guó)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(wèn)題，而且使用上也很方便，線路面積也相對(duì)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(jié)構(gòu)”，從而延長(zhǎng)這些放大器的工作范圍負(fù)電源端，或在某些情況下，只使用正電源軌設(shè)計(jì)。在負(fù)電源端接地的單電源系統(tǒng)中特別有用，利用這種架構(gòu)的元件有MAX4208/MAX4209和AD8129/AD8130。無(wú)反饋的儀表放大器(Feedback-free instrumentation amplifier)是沒(méi)有外部反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(gè))，降低噪音(沒(méi)有熱噪聲所帶來(lái)的反饋電阻)和更高的帶寬(沒(méi)有頻率補(bǔ)償)。這樣設(shè)計(jì)的放大器請(qǐng)參考這里。斬波穩(wěn)定(或零漂)儀表放大器如LTC2053使用開(kāi)關(guān)輸入前端，以消除直流偏移誤差和漂移。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)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(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)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(diǎn)，其次介紹了儀表放大器的優(yōu)勢(shì)，最后介紹了儀表放大器典型應(yīng)用及實(shí)例。

儀表放大器的原理

儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)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(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減;差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得共模抑制比得到提高。這樣在以運(yùn)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(duì)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(jiǎn)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(jiàn)， 電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)，儀表放大器典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

儀表放大器的特點(diǎn)

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(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差等特點(diǎn)。

儀表放大器的優(yōu)勢(shì)

1、高共模抑制比

儀表放大器具有能夠消除任何共模信號(hào)(兩輸入端電位相同)而放大差模信號(hào)(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(jí)差模信號(hào)， 同時(shí)又能抑制幾伏的共模信號(hào)， 實(shí)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(shí)， CMRR 的性能會(huì)得到改善， 即高增益時(shí)CMRR 較高， 低增益時(shí)較低。

2、較小的線性誤差

輸入失調(diào)和比例系數(shù)都能通過(guò)外部調(diào)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(diào)整來(lái)消除。因此， 儀表放大器線性誤差小的特點(diǎn)， 是由廠家通過(guò)采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝和芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一個(gè)高性能的儀表放大器來(lái)說(shuō)，線性誤差為0.01%， 有的甚至能達(dá)到0.0001%.

3、高輸入阻抗

在實(shí)際應(yīng)用電路中信號(hào)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(hào)的拾取和預(yù)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(dāng)輸入信號(hào)的頻率為1kHZ時(shí)， 折合到儀表放大器輸入端的噪聲應(yīng)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(hào)上。

5、低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移

儀表放大器的失調(diào)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(duì)總增益有影響， 但當(dāng)增益提高時(shí)輸入部分的失調(diào)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(diào)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(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)， 其關(guān)鍵參數(shù)仍然保持穩(wěn)定。而且使用方便， 只須檢測(cè)兩個(gè)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(yīng)用

1、高邊監(jiān)視器

最簡(jiǎn)單的高邊監(jiān)視器通常需要一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一些精密電阻，常見(jiàn)的高邊測(cè)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(zhuǎn)換，見(jiàn)圖6)。雖然很多應(yīng)用中也會(huì)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(gè)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(jié)構(gòu)時(shí)，有一個(gè)需要特別關(guān)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(yīng)包括高邊電壓加上一個(gè)安全裕量。

2、電平轉(zhuǎn)換器

此電路的工作原理可以這樣來(lái)理解，將MAX4198看作一個(gè)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(hào)與REF輸入電壓的代數(shù)和所決定，VREF可為任意值，它不會(huì)使MAX4198的放大器輸出飽和，MAX4194也適合作一個(gè)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(yīng)力測(cè)量

三運(yùn)放拓?fù)涞恼嬲齼?yōu)勢(shì)是其能夠進(jìn)行真正的差分測(cè)量(很高的CMR)，同時(shí)又有非常高的輸入阻抗，這些特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，特別是在信號(hào)源阻抗非常高的場(chǎng)合。為使信號(hào)源對(duì)地的漏電流達(dá)到最小，本例采用了一些防護(hù)技術(shù)，信號(hào)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(gè)包括惠斯通電橋傳感器的放大電路，對(duì)該電路的電橋阻抗可適當(dāng)減小，并不會(huì)降低儀表放大器的CMR值。

儀表放大器應(yīng)用實(shí)例_TI儀表放大器應(yīng)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(lái)設(shè)定放大倍數(shù)，放大倍數(shù)計(jì)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(yīng)用電路典型連接

圖4 電橋法電路連接

左面部分為測(cè)量電橋，感知信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再將此小信號(hào)放大即可進(jìn)行后續(xù)處理，如果信號(hào)及其微弱，應(yīng)用中電橋最好使用全橋連接法，此法靈敏度最高，能增強(qiáng)信號(hào)精確度。

另外還有INA118、INA217均為儀表運(yùn)算放大器，管腳功能和結(jié)構(gòu)同INA128。

開(kāi)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(shì)。 這就是為什么儀表放大器被用于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用的原因。 但是它也有一些缺點(diǎn)。 讓我們討論一些儀表放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

1.測(cè)量的精度和精確度：儀表放大器用于測(cè)試和測(cè)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?cè)跍y(cè)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(shì)。

2.增益：儀表放大器為開(kāi)環(huán)增益提供更大的值。 這是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，這也是放大器的基本要求。

3.系統(tǒng)的穩(wěn)定性：在儀表放大器內(nèi)部，所有正常運(yùn)算放大器均以負(fù)反饋連接。 眾所周知，負(fù)反饋使系統(tǒng)穩(wěn)定。 儀表放大器的穩(wěn)定性也很高。

4.可擴(kuò)展性：儀表放大器具有難以置信的可擴(kuò)展性。 它提供了在輸入電平上縮放信號(hào)的選項(xiàng)。 這就是為什么總放大倍數(shù)比其他放大器大得多的原因。 由于這個(gè)原因，縮放范圍也很高。

5.可達(dá)性：儀表放大器內(nèi)置于IC中。 有八引腳IC可用。 因此，它更易于處理和使用。 同樣，在放大過(guò)程中沒(méi)有太多因素需要考慮。 用戶只需要非常了解輸入信號(hào)即可。 讓我們找到儀表放大器的缺點(diǎn)。

缺點(diǎn)

1.儀表放大器遭受遠(yuǎn)程傳輸?shù)睦_。 如果輸入信號(hào)在擴(kuò)展范圍內(nèi)進(jìn)行通訊，則放大器傾向于將原始信號(hào)與噪聲混合在一起。 如果可以簡(jiǎn)化電纜的類型，以便在初級(jí)階段消除噪聲或沒(méi)有噪聲進(jìn)入傳輸線，則可以解決該問(wèn)題。