仪表放大器应用工程师指南(第三版)

仪表放大器应用工程师指南（第三版）仪表放大器应用工程师指南

第一章仪表放大器的基本原理

前言

仪表放大器有时被错误地理解。并非所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，而且仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于从电机控制到数据采集以及汽车系统等诸多领域。本书的目的是阐述什么是仪表放大器，它的工作原理怎样，如何使用它以及在何处使用它等基本问题。另外，本书还介绍了几种不同类型的仪表放大器。

仪表放大器与运算放大器的区别是什么,

仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大9多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值为

Ω10或更大。其输入偏置电流也很低，典型值为1nA至50 nA。与运算放大器一样，仪表放大器输出阻抗也很低，在低频段通常仅有几毫欧。

运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与运算放大器不同的是，仪表放大器使用一个与信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。

图1-1所示的是一个电桥前置放大电路，即为一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压，且其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流电压也施加到电桥的两输入端。这种直流电压通常在两输

入端是相等的或是共模的。仪表放大器的主要作用通常是抑制共模直流电压或对两输入端共模的任何其它电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。

相反，如果若在该类应用中采用标准的运算放大器，那么它只会对信号电压和任何直流信号、噪声或其它共模电压进行简单放大。因此，信号会淹没在直流失调电压与噪声之中。正因为如此，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱的信号。图1-2对比了运算放大器和仪表放大器输入特征之间的差别。信号放大与共模抑制(CMR)

仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提供非常重要的功能。

共模抑制(CMR) 是指抵消任何共模信号(两输入端电位相同)同时放大差模信号(两输入端的电位差)的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。直流和交流的共模抑制比都是仪表放大器的重要技术指标。使用现代任何质量合格的仪表放大

器都能将由于直流共模电压(即出现在两输入端的直流电压)产生的任何误差减小80dB至120dB。

然而，如果交流共模抑制不够大会产生很大的时变误差。因为它通常随着频率产生很大变化，所以要在仪表放大器的输出端消除它是困难的。幸好大多数现代单片集成电路(IC)仪表放大器提供了优良的交流和直流共模抑制。

共模增益(A)是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与共模抑CM

制比有关。A是两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益(衰减)。CM 例如，当一个共模增益为1/1000的仪表放大器的输入有10V的共模电压时，它的输出会产生10mV的变化。差模增益或常模增益(A)是指两个输入端施加(或D 跨接)差分电压时输入与输出之间的电压增益。共模抑制比(CMRR)是指差模增益与共模增益之比。请注意在理想的仪表放大器中，共模抑制比将成比例地随增益而增加。

CMR 通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗条件下(例如，60Hz，1kΩ不平衡源阻抗)对满度范围共模电压(CMV)的变化规定的。

数学上，CMRR可用下式表达:

VCM()CMRRA, DVOUT

其中，A是放大器的差模增益，V是呈现在放大器输入端的共模电压，DCM V是共模电压施加于放大器时呈现的输出电压。 OUT

CMR是CMRR的对数表达形式，即:CMR = 20Log CMRR 10

为了使仪表放大器有效工作，要求它既能放大微伏(μV)级信号，同时又能抑制输入端的共模压。这对于仪表放大器在有用带宽内能够抑制共模信号来说是特别重要的。这就要求仪表放大器在有用的主要频率及其谐波范围内具有非常高的CMR。

对于如何降低由于频带外的信号可能产生的直流输出失调误差的方法，请参考本书的有关RFI章节。

在单位增益时，典型的DC CMR值为70dB至100dB以上;在高增益时，通常CMR 得到改善。虽然接成减法器方式的运算放大器确实也可提供CMR，但是用户必须提供精密匹配电阻(以提供足够大的 CMR)。另外，带有预调整电阻网络的单片仪表放大器应用起来也非常方便。

运算放大器与仪表放大器的CMR比较

运算放大器、仪表放大器和差分放大器都可以提供CMR。然而，仪表放大器和差分放大器适合用于抑制共模信号以便它们不在其放大器的输出端出现。相反，按照典型的反相或同相放大器方式工作的运算放大器处理共模信号，将其送至输出端，但是通常并不抑制它们。

图1-3a所示是一个运算放大器，与其连接的输入信号源叠加在一个共模电压

之上。因为反馈是从外部施加在输出与求和节点之间，所以迫使“,”输入端的电压与“，”输入端的电压相同。所以该运算放大器的两输入端之间的电压理想情况下应为0V。因此，对应于0V差分输入，该运算放大器的输出端电压必须等于V。CM

虽然运算放大器也有CMR，但是共模电压随信号传输到输出端。实际上，信号被运算放大器的闭环增益放大，但共模电压仅得到单位增益。这种在增益方面的差异确实能按照信号电压的百分比对共模电压提供一些衰减，然而共模电压仍会出现在输出端，并且它的输出减小了放大器的有效输出范围。由于许多原因，出现在运算放大器的输出端的任何共模信号(直流或交流)都是非常不受欢迎的。

图1-3b所示是一个由三个运放构成的仪表放大器，工作在上述相同条件下。请注意，像运算放器电路一样，仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益通过共模信号。信号电压分别被两个缓冲器反向放大。来自两个缓冲器的输出信号连接到该仪表放大器的减法器单元。在这里(通常以低增益或单位增益)放大差分信号，而衰减(典型值为10000?1或以上)共模电压。对比以上两个电路，两者都提供信号放大(和缓冲)功能，但是由于仪表放大器的减法器单元的作用，仪表放大器抑制了共模电压。