仪用放大电路设计

一种高共模抑制比仪用放大电路的设计
在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，它具有高输入阻抗、高共模抑制比和精确的电压增益，但对称的电路结构给实际应用带来不便，对外围元件的公差要求严格，所以在应用中受到限制。

为此，我们设计了带共模电压负反馈的仪用放大电路，它具有高共模抑制比的特点，弥补了传统仪用放大器的不足。

仪用放大器的特点
仪用放大器是一种经过优化处理、专门设计的精密差分放大器，它具有很多独特的优势。

1高共模抑制比
仪用放大器具有能够消除任何共模信号（两输入端电位相同）而放大差模信号（两输入端电位不同）的特性。

为了使仪用放大器能正常工作，要求它既能放大微伏级差模信号，同时又能抑制几伏的共模信号，实现这种功能的仪用放大器必须具有很高的共模抑制能力。

共模抑制比的典型值为70- 100dB。

通常，在高增益时，CMRR的性能会得到改善，即高增益时CMRR较高，低增益时较低。

2较小的线性误差
通常，输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正，而线性误差则是器件的固有缺陷，不能用外部调整来消除。

因此，仪用放大器线性误差小的特点，是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的。

线性误差通常用满刻度的百分比来表示，对于一个高性能的仪用放大器来说，线性误差为0.01%，有的甚至能达到0.0001%。

3高输入阻抗
在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡，为了能很好的匹配，仪用放大器的输入阻抗不但要很高，而且还要具有良好的匹配性能。

输入阻抗的典型值为。

4低噪声
仪用放大器经常被用在恶劣的环境中，完成较弱信号的拾取和预处理，所以要求它必须是低噪声器件，信噪比太低就不能工作。

在正常情况下，当输入信号的频率为1kHZ时，折合到仪用放大器输入端的噪声应小于。

为了提高信噪比，一般不希望仪用放大器把自身的噪声加到信号上。

5 低失调电压和低失调电压漂移
仪用放大器由两个独立的部分组成，即输入级和输出级，总输出失调电压等于输入失调乘以增益加上输出失调。

尽管初始的失调电压可以通过外部来调零，但失调电压漂移则不能通过调整来消除。

与一般运放的失调电压一样，仪用放大器的失调电压漂移也由两部分组成，及输入和输出两部分。

每一部分均对总增益有影响，但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源，而输出部分的影响可以忽略。

输入和输出失调的典型值分别为100μV和 2mV。

此外，仪用放大器具有优秀的稳定性当工作条件发生变化时，其关键参数仍然保持稳定。

而且使用方便，只须检测两个输入端的电位差。

另外，由于它的集成度高，主要元件都做在芯片内部，外围元件少。

传统仪用放大电路分析
基本差动运算放大器的主要缺点是输入电阻较小，不能满足测量系统的要求，需要采取措施提高差动放大器的输入阻抗。

为了组成高输入阻抗差动运算放大器，可采用同相并联组合方式获得很高的输入阻抗。

基本同相并联差动放大电路
如图两只同相放大器组成的增益调整电路，有较大的增益调整范围。

各输入信号一起输出电压分别为：
（1）
（2）
其差模输出电压为：
（3）
式中
差模输入电压，
共模输出电压为：
（4）
式中
共模输入电压
由式（3）可知，改变电位器
的值能方便地调整增益，只要满足条件就不影响原有的共模抑制比。

此外，由于这种调整电路采用两个同相输入的运算放大器，因而具有极高的输入阻抗。

若采用结型场效应管作为输入级，可达到
以上的输入电阻。

这种电路的缺点是当运算放大器的
、
本身的共模抑制比
、
不相等时，会把输入端的共模信号传到输出端，它本身没有共模抑制能力，因此适用于低增益和共模分量较小的场合。

该电路输出信号电压含共模信号，负载不能接地，只能浮置，使用不便。

为了克服这一缺点，可将输出电压
接到基本差动运算放大器的输入端。

这样的电路就是仪用放大电路，不但有很好的输入阻抗，而且负载可以接地。

利用4个外接的匹配电阻来提高闭环电路的共模抑制比。

传统的仪用放大电路如图所示。

传统仪用放大电路
其中UA、UB接成同相输入形式，主要用来提高输入阻抗，提供电压缓冲；UC 组成差动放大器，用以抑UA、UB传递过来的共模电压，并提供一定的差模增益，以提高共模抑制比。

所以要求外围电R4、R5、R6、R7匹配，否则共模抑制效果将大大下降。

根据
，当有共模电压输入时，即
，设运放UA、UB的共模抑制比分别为CMRR1和CMRR2，第一级的差模放大倍数是。

则UA和UB的输出端除了有1:1传递过来的共模电压外，还有因共模抑制比有限而造成的共模变差模的影响，即共模误差电压的影响。

等效成UA和UB的差模电压分别为
和
，依据这些关系，容易计算出由UA、UB组成的第一级放大电路的等效共模抑制比为：
（5）
由上式可知，仅选择CMRR较大的运放构成第一级并不一定能达到大的共模抑制比。

当
时，第一级共模抑制比
为一有限值，所以应尽量选用CMRR数值相匹配的两个运放组成第一级放大。

若第二级差动放大器的等效共模抑制比为CMRR3，根据同样的原理，可以求出仪表放大电路总的等效共模抑制比为：
（6）
由于第二级差动放大器的共模抑制比CMRR3取决于两部分，一是运放UC本身的共模抑制能力，二是外围电阻R4、R5、R6、R7的匹配精度。

虽然前一部分的指标可以通过选择合适的运算放大器来达到，但后一部分电阻失配往往是造成CMRR3太小的主导因素。

所以由式不难发现：当CMRR3和CMRR1、CMRR2一定时，增加第一级的差模放大倍数
有助于提高整个电路的CMRR。

改进的仪用放大电路
随着集成电路技术的发展，一些著名厂商如B B、A D I等公司都发布了的仪用运算放大器芯片，如1NA128、AD620等。

它们采用单片形式提供上述电路的全部功能，仅用一支外围电阻便可以方便地设置其电压增益。

而且由于在芯片制造时
R4、R5、R6、R7已严格匹配，所以能达到很高的共模抑制比；另外由于UA、UB、UC在同一芯片上，特性非常接近，UA、UB的CMRR也很匹配，对于提高电路的共模抑制能力、减小温漂等都非常有利，因此，这种集成的仪用放大器已广泛应用于各种数据采集场合。

但是，在某些电磁环境恶劣的场合，采集微弱小信号时，强共模噪声足以完全淹没信号，直接导致整个模拟放大电路的饱和。

例如：在水泥回转窑的在线炉温测试系统中，尽管在传感器的信号回路中采取了严格的屏蔽措施，但是由于回转窑的传动电机采用大功率变频器控制，从而造成工频谐波干扰非常严重。

现场还存在大量频繁开关的高功率交流接触器，它们的每一次动作，都在电网中产生一系列的尖峰电压。

这些干扰电压直接以共模电压的形式馈入温度传感器的模拟放大电路，严重影响了测量准确度。

AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为50μV，最大输入失调电压漂移为
，最大输入偏置电流为2.0nA。

G=10, 时，其共模抑制比大于93dB。

在1KHz处输入电压噪声为
，在
范围内输入电压噪声的峰-峰值为0.28μV，输入电流噪声为。

G=1时它的增益带宽为120KHz，建立时间为15μs。

为进一步提高仪用放大器的共模抑制比，我们在设计中加入了了共模对消电路。

将AD620的共模输入电压提取并反相后与共模干扰信号相加，从而达到减小等效输入的共模电压，提高了共模抑制比。

共模电压的提取方法是取出仪表放大器AD620的输入中点电位，如下图所示。

设AD620的同相端、反相端输入电压分别为
和
，假设各运放理想，则：
由于
，
故由叠加原理得：
如果考虑运放开环放大倍数K的影响，实际上：
当仅考虑共模干扰的作用时，
和
与
相等，
改进的仪用放大电路
可见相对误差为
，由于
，实际上可以忽略开环增益有限引入的误差。

可见
，从而将输入电压的共模分量从信号中分离出来。

考虑到共模干扰主要是低频信号，对于 AD620而言，由运放的交流特性不理想引入的误差也可以忽略，所以图中C点可以作为共模电压的跟踪信号点。

共模对消等效电路的分析
为定量分析共模对消电路的作用效果，我们采用如图来等效共模对消电路。

，
是干扰共模电压的输入复阻抗，
是共模对消电路输出电压，
为共模干扰电压。

其中，
、
分别是AD620内部的电压跟随器的输出，设AD620的中点电为
共模对消放大电路的放大倍数为K，外部共模干扰电压为。

在不加入共模对消电路时，A点是接地的，此时：
（7）
即AD620的中点电位与共模电压相等。

当加入共模对消电路后，设A点的电压（即共模对消放大电路输出）为
，则：
所以有：
（8）
共模对消等效电路
对于共模对消电路有：
（9）
将（8）式代入（9）式，得：
（10）
解得：
（11）
将式（11）代入式（8），得:
（12）
比较式（7）与式（12）得出以下结论：加入共模对消电路后AD620的中点电位降到原来的，当K足够大时可以将共模干扰电压控制到任意小。

考虑到共模电压主要来自50Hz工频干扰和有限的共模对消电路的增益宽积，在实际运用中，不宜将K设计得太大，一般为10左右。

另外，AD620本身的共模抑制能力非常高，在G=10时为120dB，对于缩小了一个数量级的共模工频干扰造成的输出共模误差电压也很小。

实验结果
现场测试结果表明，在不加入共模对消电路时，
的峰-峰值在10mV左右，加入共模对消电路后，
的峰-峰值不到1mV，效果十分理想。

如图是共模对消电路各点波形。

共模对消电路个点波形
AD620是一个高精度仪用放大器在应用中还需要注意防止放大器的堵塞问
题。

如果微弱信号上迭加有一个较强的直流信号，就要设置一个分离电路，使直流信号分离出来。

参考文献
1 周铜山，李长陆.模拟集成电路及应用(第一版).北京：科学文献技术出版社，1990：P67 —P145
2 许宜生，丁振荣.自动检测仪表电子电路设计.北京：原子能出版社，1986
3 曹茂永，王霞，孙永亮.仪用放大器AD620及其应用.电测与仪表,第37
卷，第418期。