仪用放大器 (1)

综上所述， 仪用放大器以其低失调、低 飘 移 和 高 稳 定 增 益、高共模抑制比等特点， 在精密仪器中获得了广泛的应用． — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 参考文献： 〔１〕赵 保 经．简 明 集 成 运 算 放 大 器 应 用 手 册［Ｍ］．科 学 出 版 社，
ＩＮＡ１２８ 用 激 光 来 修 正 微 小 的 失 调 电 压 和 漂 移 ， 在 大 多 数应用中都不需要进行外部失调修正．图 ３．１ 所 示 为 采 用 一 个回路来修正输出偏离电压．在这个结点上必须使用低电阻 来保证良好的共模抑制比， 用一个运算放大器进行缓冲就 可以达到这个目的． ３．３ 偏置电压返回路径
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％． １．３ 高输入阻抗
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． ２ 仪用放大器的工作原理
仪用放大器是在差动放大器的基础上发展起来的一种 比较完善的放大器．作为已成型的仪用放大器， 其内部是由 三个运放和一些精密电阻构成， 其电路如图 ２．１ 所示．Ａ１、Ａ２ 高输入阻抗同相放大 器 ， Ａ３ 为 差 动 放 大 器．但 前 面 所 述 的 同 相放大器的连线方式， 与此处的同相放大器不一样， 此处的 同相放大器的反相端 的 接 地 电 阻 Ｒ１ 并 不 直 接 接 地 ， 而 是 将 两个放大器的反相端通过 Ｒ１ 直接相连． 下面的分析可说明 这样的连接方式的重要性和合理性．现利用叠加原理可导出 仪用放大器的理想特性．
首先， 令输入电压 Ｕ１２＝０， 推 导 放 大 器 在 输 入 信 号 Ｕｉ１ 单 独 作 用 下 ， 运 放 Ａ１、Ａ２ 的 输 出 电 压．由 于 Ｕ１２＝０， 则 Ｂ 点 电 压 ＵＢ＝０， 可见运放 Ａ１ 是由 Ｒ１ 和 Ｒ２ 构成的同相放大器， 其输出 电 压 为 ： Ｕ＇ｏ１＝Ｕｉｌ（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１．由 于 Ａ 点 电 位 ： ＵＡ＝Ｕ１１，因 此 ， 运 放 Ａ２ 是 由 Ｒ１ 和 Ｒ２ 构 成 的 反 相 放 大 器 ， 其 输 出 电 压 为 Ｕ＇ｏ２＝－ Ｕｉ１Ｒ３／Ｒ１．
Ａ２ 分别为两个独立的同相放大器， 则还应要求两个独立的
放大器的放大倍数相等， 否则将带来较大的误差．因此， 一般
在仪用放大器中， 如选取 Ｒ２Ｒ６ 为同一电阻 Ｒ， 则仪用放大器
的输出增益为
Ａ１＝１＋
２Ｒ Ｒ１
．
因 此 ， 只 要 改 变 电 阻 Ｒ１ 的 取 值 大 小 ， 即 可 达 到 改 变 放
电压低（５０ｕＶ）， 漂移小（０．５Ｖ／℃）， 共 模 抑 制 比 高（Ｇ＞ １００ 时 最
小 １２０ｄＢ）， 用激光进行调整， 可 以 在 士 ２．２５Ｖ 的 电 压 下 工
作， 使用电池（组）或 ５Ｖ 单电源系统， 静态电流最大为 ７００ｕＡ．
ＩＮＡ１２８ 采 用 ８ 引 脚 塑 料 封 装 ， 使 用 环 境 温 度 为 － ４０℃ —
ＩＮＡ１２８ 的 运 算 放 大 器 的 线 性 共 模 范 围 和 整 个 放 大 器 的输出电压有关， 约为士 １３．７５Ｖ（或偏离电源电压 １．２５Ｖ）．输 出电压升高时， 输人运算放大器 Ａ１ 和 Ａ２ 的输出电压摆却限 制着线性输出范围． 共模和差动输人信号联合会造成 Ａ１ 或 Ａ２ 输出饱和．图 ３．２ 所示为 Ａ１ 和 Ａ２ 根 据 共 模 和 差 动 输 人 电 压表示的输出电压摆．这些内部放大器的输出摆动能力和外 部放大器 Ａ３ 一样．在输人共模需要达到最大范围的应用中， 给 ＩＮＡ１２８ 设置较小 的 增 益 ， 来 限 制 输 出 电 压 摆．如 果 需 要 ， 在工 ＮＡ１２８ 后加大增益来提高输出电压摆．输入过载时 ， 输 出常常表现正常． ３．５ 输人保护
增益的精确度和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度
和温度系数．用来设置增益的外部电阻 ＲＧ 的稳定性和温 漂
也对增益有影响．ＲＧ 对增益精度和增益漂移的影响， 可以由
公 式（１）直 接 推 导 出 来．高 增 益 需 要 低 阻 值 ， 所 以 接 线 电 阻 就
很重要．线路上增加的插座会使增益误差额外地增加 １００ 甚 至更多， 并且很可能是不稳定的误差． ３．２ 失调偏移的修正
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 １０９－ １０１２ 欧 姆． １．４ 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．
＋８５℃．
３．１ 建立增益
ＩＮＡ１２８ 的 增 益 值 只 用 一 个 外 部 电 阻 ＲＧ 就 可 以 设 置 ，
公式如下：
Ｇ＝１＋ ５０Ｋ!
wk.baidu.com
（ １）
Ｒｇ
公 式（１）中 的“５０ｋΩ”这 一 项 是 两 个 内 部 反 馈 电 阻 的 和．
这 两 个 金 属 膜 的 电 阻 已 经 用 激 光 调 整 到 精 确 的 值 ．ＩＮＡ１２８
１９８９． 〔２〕蔡 明 生 ．电 子 设 计 ［Ｍ］．高 教 出 版 社 ，２００４．
（ 责任编辑 白海龙）
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ＩＮＡ１２８ 两 个 输 人 端 的 保 护 各 自 可 承 受 士 ４０Ｖ 电 压．即 使一个输人端电压为 － ４０Ｖ， 另一个为 ＋４０Ｖ， 也不会有危险． 每个输入端的内部电路在通常信号条件下提供串联小电阻． 为提供等效的保护， 串联输人电阻会产生过度噪声．如果输 人端过载， 保护电路把输人电流限制到安全值（约 １．５ｍＡ）．即 使没有电源电压存在， 输人端仍然受到保护． ４ 结束语
ＵＡ＝０， 则运放 Ａ２ 是由 Ｒ１ 和 Ｒ２ 构
成的同相放大器， 其输出电压为： Ｕ＂ｏ２＝－ Ｕｉ２（Ｒ１＋Ｒ３）／Ｒ１．
再 推 导 放 大 器 在 Ｕ１１、Ｕ１２ 的 同 时 作 用 下 ， 运 放 Ａ１、Ａ２ 的
输出电压为
Ｕｏ１＝Ｕ＇ｏ１＋Ｕ＂ｏ１＝Ｕｉ１（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１－ Ｕｉ１Ｒ２／Ｒ１ Ｕｏ２＝Ｕ＇ｏ２＋Ｕ＂ｏ２＝－ Ｕｉ１Ｒ３／Ｒ１＋Ｕｉ２（Ｒ１＋Ｒ３）／Ｒ１ Ａ３ 为 差 动 放 大 器 ， 取 匹 配 电 阻 Ｒ４＝Ｒ５， 且 Ｒ６＝Ｒ７， 则 仪 用 放大器总的输出电压为
ＩＮＡ１２８ 的 输 人 电 阻 很 大（约 １０１０ 欧 姆）， 但 是 必 须 为 两 个输入端的偏置 电 流 都 设 置 返 回 路 径．偏 置 电 流 小 于±１ｎＡ （由 于 电 路 的 影 响 ， 偏 置 电 流 可 正 可 负）．由 于 输 人 电 阻 很 大 ， 使得输入电压变化时偏置电流的变化很小．必须提供输人电 流 返 回 路 径 ， ＩＮＡ１２８ 才 能 正 常 运 行． 没 有 偏 置 电 流 返 回 路 径 ， 输 入 的 浮 动 将 超 出 ＩＮＡ１２８ 的 共 模 范 围 ， 放 大 器 将 达 到 饱和．如果差动信号源电阻很小， 偏置电流路径可以接到一 个引脚上（参看图 ２ 的热电偶）．信号源电阻大时， 用两个相等 电阻提供一个平衡输人， 并且由于偏置电流和良好的共模 抑制比， 偏离电压也会变得较低． ３．４ 输入共模范围
Ｕｏ＝（Ｕｏ１－ Ｕｏ２）Ｒ６／Ｒ４＝（Ｕｉ２－ Ｕｉ１）Ｒ６（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１Ｒ４） 因此， 仪用放大器的放大倍数为：
Ａ１＝
Ｒ６（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３） Ｒ１Ｒ４
由此可见， 仪用放大器只要求满足 Ｒ４＝Ｒ５ 和 Ｒ６＝Ｒ７ 两个
电 阻 匹 配 条 件 ， 即 可 获 得 上 式 的 放 大 倍 数 ； 如 若 运 放 Ａ１ 和
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 １０ｎＶ／ !Ｈｚ ． 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． １．５ 低失调电压和低失调电压漂移
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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 １００!Ｖ 和 ２ｍＶ．
大 器 增 益 的 目 的．另 外 ， 由 于 运 放 Ａ１、Ａ２ 为 近 似 相 同 的 两 个
同相放大器， 由共模电压引起的输出电压也近似相等， 经差
动放大器 Ａ３ 相减后可以补偿掉由 Ａ１、Ａ２ 共模放大倍数引起 的误差．因此， 仪用放大器的共模误差主要取决于 Ａ３ 的共模 抑 制 比．当 运 放 Ａ１、Ａ２ 具 有 相 同 的 飘 移 特 性 时 ， 也 通 过 差 动 放大器 Ａ３ 的相减而得到补偿．
３ ＩＮＡ１２８ 应用举例
ＩＮＡ１２８ 是一 种 通 用 仪 用 放 大 器 ， 尺 寸 小 、精 度 高 、价 格
低廉， 可用于电桥、热电偶、数据采集、ＲＴＤ 传感器和医疗仪
器 等．ＩＮＡ１２８ 只 需 一 个 外 部 电 阻 就 可 以 设 置 １ 至 １００００ 之
间的任意增益值 ， 内 部 输 入 保 护 能 够 长 期 耐 受 士 ４０Ｖ， 失 调
摘 要： 仪用放大器是与普通集成运算放大器相比具有很多优点， 其性能更适用于精密测量等应用场 合．本文简单介绍了仪用放大器的特点和工作原理， 读者可从中看出它与普通集成运放的不同之处．最后以 ＩＮＡ１２８ 为例介绍了仪用放大器的应用．
关键词： 仪用放大器； 低失调电压； 高精度； ＩＮＡ１２８ 中图分类号： ＴＨ７４ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７３－ ２６０Ｘ（ ２００８） ０５Ａ－ ０１０２－ ０２
１ 仪用放大器的特点 由于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， 所以它具有很多独特的优势． １．１ 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． １．２ 较小的线性误差
其次令输入电压 Ｕ１１＝０， 推导放大器在输入信号 Ｕ１２ 单 独作用 下 ， 运 放 Ａ１、Ａ２ 的 输 出 电 压．由 于 ＵＢ＝Ｕ１２， 且 有 Ｕ１１＝０， 运 放 Ａ１ 是 由 Ｒ１、Ｒ２ 构 成 的 反 相 放 大 器 ， 其 输 出 电 压 为 ：
Ａ１＝１＋
２Ｒ Ｒ１
．又由于
Ｕ１１＝０ 且
第 ２４ 卷 第 ５ 期 ２００８ 年 ９ 月
赤 峰 学 院 学 报（ 自 然 科 学 版 ） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｆｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ． ２４ Ｎｏ． ５ Ｓｅｐ． ２００８
仪用放大器简介及应用
陈淑芳
（ 福州职业技术学院， 福建 福州 ５０００１）