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儀表放大器與運(yùn)算放大器在各方面有什么不一樣？

時(shí)間：2023-06-30 13:40:01

關(guān)鍵字：儀表放大器運(yùn)算放大器共模噪聲

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[導(dǎo)讀]儀表放大器又名INO，可放大電壓變化并提供與任何其他運(yùn)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(shí)通過(guò)全差分輸入提供共模噪聲抑制。

儀表放大器又名INO，可放大電壓變化并提供與任何其他運(yùn)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(shí)通過(guò)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(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建一個(gè)儀表放大器并將其用于我們的應(yīng)用。運(yùn)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(yùn)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(guò)是為某些特定應(yīng)用組合在一起的幾個(gè)普通運(yùn)算放大器。要了解更多信息，請(qǐng)查看 INA114 的數(shù)據(jù)表以了解其內(nèi)部電路圖。

運(yùn)算放大器是集成電路，在某種程度上是構(gòu)件。運(yùn)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(yùn)算放大器性能的通用公式為Vout = A *(V +-V-)，并且A是一個(gè)非常大的數(shù)字。當(dāng)以反饋模式接線時(shí)，運(yùn)算放大器可以具有許多不同的配置(即使“開(kāi)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(kāi)環(huán)工作的運(yùn)放小得多，并且輸入電流不一定是零。輸入阻抗可以相對(duì)較低，并且每個(gè)輸入的輸入阻抗不必相同。差分放大器可以由一個(gè)或多個(gè)運(yùn)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(gè)差分放大器，但是兩個(gè)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(gè)輸入都相同。通常有一種方法可以通過(guò)一個(gè)電阻來(lái)改變?cè)鲆?。通常，儀表放大器具有三個(gè)運(yùn)算放大器配置(或等效配置)，其中兩個(gè)運(yùn)算放大器用作輸入級(jí)，輸出級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的具有參考點(diǎn)的運(yùn)算放大器差動(dòng)放大器，可用于移動(dòng)基線周圍。由于差動(dòng)放大器上的電阻通常在集成電路內(nèi)部進(jìn)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(yǔ)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(guò)去，任何被認(rèn)為精準(zhǔn)(即，實(shí)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?yàn)樗辉O(shè)計(jì)為用于測(cè)量系統(tǒng)。儀表放大器(即 INA)與運(yùn)算放大器(運(yùn)放)相關(guān)，因?yàn)槎呋谙嗤幕緲?gòu)件。但 INA 是專用器件，專為特殊功能設(shè)計(jì)，并非一個(gè)基本構(gòu)件。就這一點(diǎn)而言，儀表放大器不是運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兊挠猛静煌?

就用途而言，INA與運(yùn)放之間最顯著的區(qū)別或許是前者缺少反饋回路。運(yùn)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(huì)提供從運(yùn)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(yùn)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(méi)有到輸入引腳的外部反饋。INA的配置限制為1個(gè)或2個(gè)外部電阻，也可能限制為一個(gè)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(jì)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(shí)抑制這兩個(gè)輸入的任何共用信號(hào)，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(yùn)放將以設(shè)定的閉環(huán)增益來(lái)放大輸入信號(hào)，但輸出上將一直存在共模信號(hào)。所關(guān)注信號(hào)與共模信號(hào)間的增益差會(huì)導(dǎo)致共模成分(以差分信號(hào)的百分比表示)減少，但運(yùn)放的輸出上仍存在共模成分，這將限制輸出的動(dòng)態(tài)范圍。

如上所述，INA用于在存在大量共模成分時(shí)提取小信號(hào)，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(shí)，存在由兩個(gè)輸入共用的較大直流電壓。但是，干擾信號(hào)可具有多種形式;一個(gè)常見(jiàn)來(lái)源是來(lái)自電源線的50 Hz或60 Hz干擾，更不用說(shuō)諧波了。這種時(shí)變誤差源通常還會(huì)隨頻率發(fā)生明顯波動(dòng)，從而使得在儀表放大器的輸出端進(jìn)行補(bǔ)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(shí)現(xiàn)共模抑制。

差分放大器

人們的第一個(gè)問(wèn)題可能是：“是否可通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)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(jiǎn)單的差分放大器電路(圖1)，有時(shí)稱為減法器。

圖 1：差分放大器電路

這是一個(gè)非常簡(jiǎn)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(duì)于上文提到的權(quán)衡，此電路中有兩處。首先，我們來(lái)看一下輸入阻抗。輸入阻抗由電阻的值決定，其相對(duì)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(gè)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(jiǎn)單電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要電阻匹配。此電路的共模抑制比主要由電阻對(duì)內(nèi)部的匹配程度決定，而非由運(yùn)放本身決定。只要這些電阻對(duì)存在任何不匹配，都會(huì)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(jì)算：

其中：Rt = 電阻對(duì)的總不匹配率(分?jǐn)?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(guò)該簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)的性能極為有限。即使在手動(dòng)進(jìn)行電阻匹配時(shí)，也很難實(shí)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(dòng)，不同電阻在溫度系數(shù)上的任何差異都將進(jìn)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(duì)較高的應(yīng)用的最佳解決方案。

從技術(shù)上說(shuō)，之前討論的差分放大器電路不是儀表放大器，但對(duì)于某些需要高速和/或高共模電壓的應(yīng)用十分有用。對(duì)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?？衫脙煞N常見(jiàn)的電路來(lái)構(gòu)建儀表放大器，一種電路基于兩個(gè)放大器，另一種基于三個(gè)放大器。下面將詳細(xì)討論這兩種電路。請(qǐng)注意，這些基本電路可利用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放來(lái)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(yùn)放INA

圖 2：雙運(yùn)放儀表放大器電路

圖2給出了基于兩個(gè)放大器的常見(jiàn)儀表放大器電路。在該電路中，總體增益通過(guò)一個(gè)標(biāo)注為“RG”的電阻來(lái)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(shí)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(duì)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(yùn)放INA的另一個(gè)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(yùn)放時(shí)。請(qǐng)記住，圖2左側(cè)的放大器必定會(huì)將反相節(jié)點(diǎn)處的輸入信號(hào)放大1+R1/R2。因此，如果輸入信號(hào)的共模電壓過(guò)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(hào)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(yùn)放INA電路不存在此問(wèn)題，因?yàn)閮蓚€(gè)差分輸入信號(hào)直接饋入放大器的輸入引腳，其阻抗通常為幾百萬(wàn)歐姆。但是，由于輸入信號(hào)路徑不同，各差分輸入信號(hào)的延時(shí)也不同，這就導(dǎo)致不同頻率時(shí)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(duì)于分立式解決方案，基于這種雙運(yùn)放架構(gòu)的單片INA從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)將具有更好的電阻匹配和溫度跟蹤性能，因?yàn)榛诠璧碾娮杩赏ㄟ^(guò)微調(diào)來(lái)提供大約0.01%的匹配率。但雙運(yùn)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(wú)法克服這些限制。

三運(yùn)放INA

第二個(gè)常見(jiàn)的INA電路基于三個(gè)運(yùn)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(gè)運(yùn)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(jiǎn)單差分電路有關(guān)的主要問(wèn)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(yùn)放儀表電路

在該配置中，電路的增益通過(guò)標(biāo)注為RG的電阻的值來(lái)設(shè)置。現(xiàn)在看一下輸入級(jí)，輸入級(jí)包含兩個(gè)運(yùn)算放大器，無(wú)論前兩個(gè)放大器的差分增益(由RG設(shè)定)如何，所有共模信號(hào)均以單位增益為系數(shù)進(jìn)行放大。因此，無(wú)論增益如何，此電路均可提供較寬的共模范圍(受前兩個(gè)放大器的裕量限制)。與之前討論的雙運(yùn)放INA相比，這是一大優(yōu)勢(shì)。差分放大器隨后會(huì)消除任何共模成分。與之前討論過(guò)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(duì)的總不匹配率

由于共模成分始終伴隨單位增益這一事實(shí)，三運(yùn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的共模抑制性能和較高的增益精度。近年來(lái)，單片儀表放大器對(duì)這一基本架構(gòu)進(jìn)行了額外的改進(jìn)。例如，電流模式拓?fù)錈o(wú)需高精度電阻匹配便可實(shí)現(xiàn)高共模抑制比。在任何情況下，使用運(yùn)算放大器和分立式元件的分立式解決方案通常都會(huì)提高成本并降低性能。

運(yùn)算放大器的概念

運(yùn)算放大器(常簡(jiǎn)稱為“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)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(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)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(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)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(yùn)算放大器主體部分已集成化, 故運(yùn)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(jí)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(gè)具有特定功能的完整電路系統(tǒng)。

其實(shí)內(nèi)部是一個(gè)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(jí),中間級(jí),輸出級(jí)和偏置電路四部分.它們的關(guān)系可表示如下圖:運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)

運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是電壓增益大,輸入電阻大,輸出電阻小。

運(yùn)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(yùn)算放大器的特點(diǎn)

(1)集成運(yùn)算放大器采用直接耦合放大電路,對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)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(wú)源器件多用有源器件來(lái)代替.

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

運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)放的性能指標(biāo)較多,可主要常用的幾種有: