三、仪用放大器

第三节仪器放大器(三运放)

在工业测量，医疗仪器以及各种传感器探测等应用中，信号是由传感器对各种物理量（如：温度、压力、流量、血流等）进行相应的变换而来的。这些换能器产生的信号往往很微弱，而且其中其中包含有很高的共模电压信号及各种共模干扰。被测对象有一定的（甚至很高）的内阻。如：人体的心电信号为1mv左右，而共模电压可能达到10V左右，（共模/差模=10000倍），人体的阻抗几千欧到几百千欧。

基本作用：仪用放大器常用来精确放大载于高共模电压上的微弱差动信号。

主要特点：

①差动输入，具有很高的共模抑制比；

②有很高的电压增益；

③低噪声；

④高输入阻抗。

应用领域：

①信号放大。如：扩散硅压力传感器，应变计、热电偶和电阻式

热探测器；

②医用仪器仪表：心电、脑电等人体生物信号的放大。

3.1基本仪用放大器的工作原理

⑴电路结构：

仪用放大器是在差动放大器基础上发展起来的一种比较完善的放大器。它由三个运放（A1、A2、A3）和一些精密电阻（R1--R7）构成。

A1、A2为高输入阻抗的同相放大器。A3为差动放大器。

注意：两个同相放大器不是通过R1直接接地而是相连。这是很有必要的，下面加以说明。

⑵电路分析：

①A3为差动放大器，取匹配电阻R5=R4，R7=R6，采用电路理论

中的迭加原理及运放的虚短虚断的概念可以求出放大器的输

出为：

②仪用放大器的差模放大信号为：

可见，放大器只要求R5=R4，R7=R6两个电阻匹配。若将A1、

A2接成两个独立的同相放大器，另外需要保证A1、A2的放大

器数相等，两个R1相等，否则会带来较大误差。这在制造时

有很大的困难。

③通常选取R2--R6为同一电阻R，则：

差模放大倍数：

由上式可见，只要改变R1，即可改变增益，很方便。

④讨论：制造时，应尽量将A1，A2特性相等，R2和R3，R4

和R2，R1和R7要尽量配成对，才能减少电路的误差。

由于A1和A2为近似相同的同相放大器，由共模电压引起的输出也近似相等，位差动放大器A3相差后可以补偿掉A1和

A2共模放大倍数引起的误差。这时放大器的共模误差主要取决

于A3的共模抑制比。由于A1A2具有相同的温度漂移特性，通

过差动放大器A3的相减作用而达到补偿，改善了其温度特性。

⑤仪用放大器已被制造成一块集成的放大器。其内部各电阻对运

放较好地保证匹配关系。器件中温度特性也比较一致。可以在

很宽的温度范围内保证放大器数的精度和稳定性。

3.2应用举例

(1)压力测量

(2)心电信号测量

3.3 仪用放大器输入端的屏蔽保护接线方式(减少干扰，改善CMR)

测量对象和仪器放大器之间通常有一段距离，为了减少外部对输入端引起的干扰和保证不因漏电引起输入阻抗降低，一般对输入引线采用屏蔽电缆加以保护。

电缆屏蔽层不能直接接地，而是采用电位自举电路，保持屏蔽电位跟踪输入信号电位。这减少了电缆芯线与屏蔽间的电位差，降低了电缆对运放输入阻抗的分流作用，保证具有高的输入阻抗。电缆的屏蔽作用同时有效地保护输入端，避免了来自外部电场的干扰。

电路连接方法示意如下：

3.4集成仪用放大器输入端的扩展应用

仪器放大器除了以电压输出外，也可以采用电流输出，即输出负载中的电流比于输入电压的差值，而与负载无关。以下是电流输出型仪器放大器的种接法。

⑴负载电阻不是接在A3的输出端，而是接在同相端。A3为V—I

变换电路。

⑵当集成仪用放大器不外设A3同相端的引出脚时，就不能采用上图的电路。

3.5几种实际的集成仪器放大器

制造模拟器件的著名公司：

(a).Burr-Brown公司已被TI收购。

(b).AD (Analog Device)公司

(c).MAXIM美信公司

(d).National Semiconductor国家半导体公司

仪用放大器的增益设定有两种方法：

⑴固定增益仪器放大器：外接电阻设定增益。如：BB公司的INA101，AD521等。

⑵引脚可编程增益仪器放大器

增益电阻集成在芯片内。通过改变引脚的连接可以得到：1，10，100和1000倍的放大。如：模拟器件公司的AD524，AD621等。

(3)放大器接地问题

课后练习

1.查找阅读AD621：Low Drift, Low Power Instrumentation Amplifier