可在低電壓下實(shí)現(xiàn)高共模抑制比的儀表放大器

現(xiàn)代的電池電壓為3~3.6V，這就要求電路能在低壓下高效工作。本設(shè)計(jì)提出的一種交流耦合儀表放大器，具有很大的共模抑制比（CMRR）、很寬的直流輸入電壓容限以及一階高通特性。這些特性大多是由高增益第一級(jí)設(shè)計(jì)提供的。電路采用普通參數(shù)值和普通容限的元件。圖1a示出簡(jiǎn)化的放大器電路。該電路的一般原理是電容器C和電阻器R3對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖和交流耦合。第二級(jí)由兩個(gè)差動(dòng)放大器AD組成。每個(gè)差動(dòng)放大器放大差動(dòng)輸入信號(hào)的一半。求和運(yùn)算可以得到求VOUT的如下公式：
在圖1a中， VA、VB、VC和VD是兩個(gè)差動(dòng)放大器的輸入電壓，AD是增益。時(shí)間常數(shù)2R3C決定高通的截止頻率。圖1b示出了詳細(xì)的電路。輸入級(jí)由運(yùn)算放大器A1、A2、A3和A4組成。A1和A2是主要的增益級(jí)。因?yàn)锳1和A2的反相輸入端和非反相輸入端的電位相同，所以A1和A2的輸入電壓都供給電阻器R3。緩沖器A3和A4與電阻器R2一起，可使R3的電流放大1 R3/R2倍，因?yàn)镽2和R3都連接到相等的電位。這種電路結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的核心。電容器C上的電壓沒(méi)有交流分量，而A1和A2各放大差動(dòng)輸入交流信號(hào)的一半。C濾除出現(xiàn)在A3和A4輸出端的輸入直流分量。第二級(jí)是一個(gè)增益為1的、四個(gè)輸入加法器—減法器級(jí)。它能實(shí)現(xiàn)上述的公式，式中的AD等于1 R1/(R2||R1) 。假定R3>>R2, AD=1 R1/R2。

圖1 電容器C對(duì)簡(jiǎn)化的放大器電路（a）進(jìn)行交流去耦；詳細(xì)的電路（b）采用幾個(gè)增益級(jí)和一個(gè)加法器—減法器級(jí)。

第二級(jí)的另一種可能的實(shí)現(xiàn)方法是采用兩個(gè)差動(dòng)通道ADC，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字化的VOUT，供微處理器處理。如果使用一個(gè)±5V的電源，則就有可能利用一塊芯片上的兩個(gè)差動(dòng)放大器，如INA2134來(lái)獲得VOUT。你可以計(jì)算出共態(tài)抑制比的最小值：

式中AD(1-4) 分別是放大器A1到A4的差動(dòng)增益，ACM(1-4) 分別是這四個(gè)放大器的共模增益，AD5是放大器A5的差動(dòng)增益，ACM5則是A5的共模增益。Δ是電路中電阻器R4的容限。一個(gè)非常重要的參數(shù)是運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，對(duì)于A3和A4來(lái)說(shuō)尤其是這樣。A1和A2的失調(diào)電壓不會(huì)引起差錯(cuò)，因?yàn)樗鼈冎辉黾虞斎胄盘?hào)的直流分量，而電容器C則將這些直流分量去掉。由運(yùn)算放大器失調(diào)電壓引起的最大輸出電壓誤差為：

式中，V10MAX為相應(yīng)運(yùn)算放大器的最大失調(diào)電壓。在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，你應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：A3、A4和A5應(yīng)為低失調(diào)電壓和高共模抑制比（CMRR）的運(yùn)放，而A1和A2應(yīng)具有很高的開環(huán)增益、共模抑制比（CMRR）和增益帶寬乘積。圖2示出了一種實(shí)用的放大器電路。電源是一塊3V鋰電池。你可以選用幾種運(yùn)算放大器，如MCP607系列或OPA2336系列。由于輸入共模電壓范圍的緣故，你要把信號(hào)地電位調(diào)到電源電壓的三分之一。二極管D1能防止電路閉鎖。R7-C4網(wǎng)絡(luò)在輸入端濾除射頻噪音。你可以根據(jù)下述的考慮因素推導(dǎo)R7-C4網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：如果R7C4=(R1||R2||R3)C2~R2C2，則放大器傳遞函數(shù)中的高頻零就會(huì)消去：
該電路具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
● 第一級(jí)確?？傇鲆?，從而在第二級(jí)不采用高精度電阻器的情況下也可提供高共模抑制比（CMRR）；
● 只要把確定低頻的RC網(wǎng)絡(luò)連接到兩個(gè)放大輸入信號(hào)的運(yùn)算放大器的反相輸入端，該電路就不需要另外的輸入緩沖器；
● 該電路利用具有普通參數(shù)值和容限的無(wú)源元件就可提供標(biāo)準(zhǔn)的一階高通特性；
● 采用3V電源，差動(dòng)輸入信號(hào)范圍可高達(dá)2V；
● 該電路消耗的電源電流和功率都很小，分別為120μA和0.4mW左右。

圖2 這一高共模抑制比（CMRR）儀表放大器可在極低的電源電壓下工作