儀表放大器及應用

１　概述

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等特點。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎部件（運算放大器）基本相同，它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡。

用分離元件構建儀表放大器(ＩＡ）需要花費很多的時間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，這里以圖１所示的惠斯通電橋變送器來進行說明，圖１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對“電橋”進行計算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

Ｖ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ

所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ

變送器輸出就是電橋兩個輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個激勵加在電橋的４個活動臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實際上，人們所關心的信號是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對共模電壓（ＣＭＶ）進行計算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

　　上述計算表明，在有大的共模信號時，測量一個微弱的電壓信號比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過測量兩個較大的電壓信號Ｖ２與Ｖ１來獲得，這兩個電壓均可在伏特級。

２　誤差

早期比例計量是用檢流計實現(xiàn)的，它（不像ＩＡ）不受共模電壓的困擾。圖１僅是示意圖?沒有包括誤差源。實際應用系統(tǒng)的主要誤差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（見圖２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模電壓的存在而引起的放大器的輸入失調(diào)電壓的偏差，ＣＭＲ定義為ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?。在圖２所示的惠斯通電橋中，若要使誤差小于差分信號的１％，其ＣＭＲ應為：

　?。茫停郑剑担?ΔＶ＝２ｍＶ，則Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

而要得到一個小于０．１％的誤差，則需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分離電路并進行嚴格調(diào)整可以獲得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要達到如此高的穩(wěn)定性，還須采用線繞電阻，但線繞電阻的等效電感會導致ＣＭＲ的頻率特性退化。電源抑制（ＰＳＲ）是指由于電源電壓的變化而引起的放大器輸入失調(diào)電壓的偏差，ＰＳＲ的定義為：ＰＳＲ＝２０ｌｏｇ?ΔＶｏｓ／ΔＶｓｕｐｐｌｙ?。而Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ／Δｔｅｍｐ、Ｉｂ和Ｉｏｓ誤差的處理方法與傳統(tǒng)運算放大器相同，但必須考慮各種條件下的誤差：包括溫度范圍、源電阻、電源調(diào)節(jié)、共模輸入電壓、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形應該參考數(shù)據(jù)手冊中的最小值或最大值，有些情況下，也可以使用典型值，因為在同一時刻不可能所有的參數(shù)都處于它們的極限值。

３　儀表放大器的結構

３．１ 差分放大結構

ＭＡＸ４１９８和ＭＡＸ４１９９是精密、低功耗差分放大器，增益由工廠預置（見圖３）。ＭＡＸ４１９８具有＋１Ｖ／Ｖ的增益，ＭＡＸ４１９９具有＋１０Ｖ／Ｖ的增益。雖然電阻器件精確匹配，但其絕對值的變化范圍是±２５％。對于ＭＡＸ４１９８，同相輸入阻抗典型值是５０ｋΩ，反相輸入阻抗典型值是２５ｋΩ。對于ＭＡＸ４１９９，同相輸入阻抗典型值是２７５ｋΩ， 反相輸入阻抗典型值是２５ｋΩ。內(nèi)部運算放大器的共模輸入電壓范圍為ＶＥＥ～（Ｖｃｃ－１．１Ｖ）。內(nèi)部運放的輸入不具備滿擺幅特性，但ＭＡＸ４１９８的內(nèi)置電阻為一個分壓器，它使得輸入共模電壓范圍可超出電源擺幅。當ＶＣＣ為５Ｖ時，ＭＡＸ４１９８的輸入范圍可超出電源擺幅１００ｍＶ，而且不會造成共模抑制比性能的下降或輸出與輸入的相位反轉(zhuǎn)。而ＭＡＸ４１９９輸入共模電壓范圍可擴展到負電源電壓以下的１００ｍＶ～（Ｖｃｃ－１Ｖ）。當Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４時，標準差分放大器的簡化方程是Ｖｏ＝Ｖｂ－Ｖａ；因此，四個電阻值的任何不匹配都會導致ＣＭＲ的下降。

圖4

    雖然分離差分放大電路已被廣泛使用，但它還有以下主要缺陷：

●輸入電阻等于Ｒ１，相對較??；

●輸入電阻通常存在較大差異；

●電阻一定要非常精確地匹配才能得到可接受的共模抑制比；

●較高頻率時輸入阻抗的差異可使ＣＭＲ下降；

●信號源阻抗對ＣＭＲ影響較大。

３．２ 運放結構

ＭＡＸ４１９４－ＭＡＸ４１９７系列低功耗儀表放大器屬于三運放拓撲，其拓撲結構如圖４所示。它的輸入級由兩個運放組成，這兩個運放可提供固定的差分增益和單位共模增益；輸出級是常規(guī)的差分放大器，具有１１５ｄＢ的共模抑制比（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）。ＭＡＸ４１９４的增益可由外部設定（＋１Ｖ／Ｖ～＋１０，０００Ｖ／Ｖ）；ＭＡＸ４１９５－ＭＡＸ４１９７則由內(nèi)部設置增益，固定增益分別為：＋１Ｖ／Ｖ、＋１０Ｖ／Ｖ和＋１００Ｖ／Ｖ。放大器的共模電壓輸入范圍是（ＶＥＥ＋０．２Ｖ）到（ＶＣＣ－１．１Ｖ）。理想情況下，儀表放大器只對作用在ＩＮ＋和ＩＮ－兩個輸入端的差分電壓有響應，當兩個輸入端電壓相同時，輸出為ＶＲＥＦ。ＩＮ＋與ＩＮ－之間的差分電壓將在增益設置電阻上產(chǎn)生相同的電壓和相應電流（ＩＧ），該電流流過兩個輸入運放Ａ１和Ａ２的反饋電阻可產(chǎn)生的電壓差為?

ＶＯＵＴ２－ＶＯＵＴ１＝ＩＧ×(Ｒ１＋ＲＧ＋Ｒ１）

其中，ＶＯＵＴ１和ＶＯＵＴ２是Ａ１和Ａ２的輸出電壓，ＲＧ（內(nèi)置或外接）是增益設置電阻，而Ｒ１是輸入運放的反饋電阻。此時，ＩＧ將由下式?jīng)Q定：ＩＧ ＝(ＶＩＮ＋ － ＶＩＮ－）／ＲＧ。儀表放大器輸出電壓（ＶＯＵＴ）由下式表示：

ＶＯＵＴ＝(ＶＩＮ＋－ＶＩＮ－）×(２Ｒ１／ＲＧ＋１）

共模輸入電壓范圍是電源電壓和放大器輸出電壓的函數(shù)。當電源為ＶＣＣ，ＲＥＦ端接ＶＣＣ／２時，可以得到最大的輸出信號擺幅，此時所產(chǎn)生的輸出電壓的擺幅為±ＶＣＣ／２；若輸出電壓的擺幅沒有達到最大值，則共模輸入電壓的范圍還可相應增加。如果儀表放大器選擇得不合理，共模輸入電壓范圍可能會受到電源電壓、增益和ＲＥＦ引腳電壓的影響。其原因是各內(nèi)部結點的電壓會使放大器不再工作在線性區(qū)，而進入飽和區(qū)。圖５是ＭＡＸ４１９４的典型共模輸入電壓范圍與輸出電壓擺幅間的關系（單位增益，單電源（ＶＣＣ）為５Ｖ時，偏置參考電壓ＶＲＥＦ為ＶＣＣ／２＝＋２．５Ｖ）。圖中，Ａ點到Ｄ點分別對應于輸入放大器的滿量程輸入電壓范圍?ＶＥＥ＋０．２Ｖ? 到?ＶＣＣ－１．１Ｖ?。其它點（Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ）則由輸入放大器的輸入電壓范圍減去產(chǎn)生相應輸出所需要的差分輸入幅度來決定。對于更高增益的配置，端點Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ上的共模電壓范圍還會增大，因為對于給定的輸出電壓，只需更小的差分輸入電壓即可。

增益設置電阻Ｒｇ是儀表放大器的關鍵部件，其溫度系數(shù)對于放大器的總體性能有較大影響。內(nèi)置Ｒｇ的儀表放大器具有較好的溫度系數(shù)和溫度一致性，易于設置增益，且輸入阻抗較高，即便是在５０Ｈｚ～６０Ｈｚ的率下頻仍有很好的共模抑制比ＣＭＲ。但是，它的Ｖｉｎ、ＣＭＶ、增益和ＶＲＥＦ之間具有一定的制約關系。實際上，運算放大器或儀表放大器的選擇依賴于具體的應用，在具體應用中，共模輸入電壓、電源電壓、增益、ＲＥＦ引腳電壓和傳感器阻抗必須綜合考察。利用放大器的ＲＥＦ引腳可以對輸出失調(diào)電壓進行微調(diào)；而對于加在ＲＥＦ引腳上的微調(diào)電壓，則必須確保有一個較低的源阻抗，因為ＲＥＦ引腳上的附加阻抗將使ＣＭＲ變低。

４　典型應用

４．１ 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(zhuǎn)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。

    ４．２ 電平轉(zhuǎn)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 。

４．３ 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。