仪表放大器及其应用问题研究

一、仪表放大器概述

１、仪表放大器的概念

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组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出，随着电子技术的飞速发展，仪表放大器也得到广泛的应用。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面备受青睐。

２、仪表放大器的特点

仪表放大器主要以下三方面的特点：（１）低输入偏置电流和低失调电流误差。仪表放大器具有偏置电流流入和流出的两个输入端；对于双极型输入仪表放大器是基极电流；对于场效应管（ＦＥＴ）输入仪表放大器是栅极漏电流。这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差，输入失调电流误差被定义为流过两个输入端的偏置电流之间的失配程度，双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为１　ｎＡ至５０　ｎＡ；而ＦＥＴ输入仪表放大器的偏置电流在室温下的典型值为１　ｐＡ至５０　ｐＡ。

（２）低噪声。因为仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，所以它绝对不能把自身的噪声信号加到信号电压

仪表放大器及其应用问题研究

梅玉芳 四川自贡电业局

上，在１　ｋＨｚ（增益大于１００）的条件下，折合到输入端（ＲＴＩ）的最小输入噪声为１０　ｎＶ／√Ｈｚ是允许的，微功耗仪表放大器适合于尽可能最低的输入电流，通常比输入电流较大的仪表放大器具有较高的噪声。

（３）低非线性。输入失调和比例系数误差都能通过外部调整来修正，但是非线性是器件的固有的性能限制，所以它不能由外部调整来消除，低非线性误差必须由仪表放大器生产厂家的结构设计来保证。非线性通常规定为在正满度电压与负满度电压及零电压条件下，厂家测量仪表放大器的误差占满度的百分数，对于一个高质量的仪表放大器典型的非线性误差为０．０１％，有的甚至低于０．０００１％。

二、仪表放大器的技术原理

１、仪表放大器与运算放大器的区别

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　≥１０９Ω。其输入偏置电流也应很低，典型值为１　ｎＡ　至５０　ｎＡ，与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（ｍΩ）。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，与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离，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。２、信号放大与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。ＤＣ和交流（ＡＣ）ＣＭＲ两者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ＤＣ共模电压（即出现在两输入端的ＤＣ电压）产生的任何误差减小到８０ｄＢ至１２０ｄＢ。然而，如果ＡＣ　ＣＭＲ不够大，会产生一种很大的时变误差，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　ＡＣ　ＣＭＲ　和　ＤＣ　ＣＭＲ。

共模增益（ＡＣＭ）是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与ＣＭＲ有关。ＡＣＭ是指两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益（衰减）。例如，一个仪表放大器的共模增益为　１／１０００，其输入端的１０Ｖ共模电压在其输出端会呈现出１０ｍＶ的变化，差模增益或常模增益（ＡＤ）是指两个输入端施加（或跨接）不同的电压时输入与输出之间的电压增益。共模抑制比（ＣＭＲＲ）是指ＡＤ与ＡＣＭ　之比。另外，在理想的仪表放大器中，ＣＭＲＲ将成比例随增益增加，ＣＭＲ通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗条件下（例如，６０　Ｈｚ频率，１　ｋΩ　不平衡源阻抗）对满度范围共模电压（ＣＭＶ）的变化规定的。

三、ＡＤ６３２仪表放大器的应用１、功能特性ＡＤ６２３是美国ＡＤＩ公司最新推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压（通常称之为电源限输出，即ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ　ｏｕｔｐｕｔ）的仪表放大器。ＡＤ６２３的主要特点是：（１）使用一只外接电阻设置增益Ｇ，使Ｇ可高达１０００，从而给用户带来了极大方便；（２）具有优良的直流特性；（３）具有优良的共模抑制比ＣＭＲＲ（且它随增益增加而增加，使误差最小）；（４）其输入共模范围很宽，允许比地电位低１５０ｍＶ的共模电压，单电源供电（＋３．　０～－１２Ｖ）能达到最佳性能，双电源供电（±２．　５　～±６．０Ｖ）也能提供优良的性能；（５）低功耗

（电源电流最大５７５μＡ）、宽电源范围和电源限输出特性非常适合电池供电的应用场合；（６）可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高和体

５８０ＫＷ的电机运行（其中３　台备用）。开一条生产线时采用一台变压器供３台电动机运行，开２条生产线时采用２　台变压器并联运行供６　台电动机同时运行。

２．２　常规的倒闸操作

开一条生产线时，可用１　号变压器供１、４、７号电机运行。此时可按常规的倒闸操作次序操作，即，合上２２６１进线隔离开关后，依次合上２２１１、２６１号隔离开关，再合上２５１号断路器给变压器和３ＫＶ母线供电，最后合上负载电机的隔离开关和断路器。也可以用依次合上２２１１、２５１、２６１号隔离开关和断路器（因此时２６１号隔离开关供给的是空载、短距离３ＫＶ配电线路）的反常规的倒闸操作次序给变压器和３ＫＶ母线供电。

２．３　反常规的倒闸操作

２．３．１　并列、解列变压器时的倒闸操作

在半条生产线运行的过程中，需要２条生产线全部运行时，就要并联上２号变压器。此时，如果按“低压侧无断路器的配电变压器投入运行”的常规倒闸操作，则倒闸操作的次序应为：先合２２２１、２６２号隔离开关再合２５２号断路器。我在对累计数千人的电工培训中都问过这个问题，有８０％以上的电工都是照此回答。但是这样合闸会造成２６２号隔离开关向２　号变压器倒供电，相当于２６２号隔离开关向３　ＫＶ、１８００ＫＶＡ的空载变压器供电，这远大于“隔离开关只能通断１０ＫＶ及以下、容量不超过３２０ＫＶＡ的无负荷变压器”的规定，将使２６２号隔离开关产生强烈的电弧，使其使用寿命缩短甚至烧毁。

正确的倒闸操作次序应该是按合上２２２１、２５２、２６２的次序进行。表面上看合上２６２隔离开关时已带上１、４、７号电机操作，实际上此时此１、４、７号电机的负载已被１号变压器承担，该负荷只是随２６２号刀闸刀口的闭合程度逐渐转移到２号变压器上。

同理，在２条生产线转为１条生产线生产时，如果按常规的“低压侧无断路器的配电变压器停电操作”的操作次序进行倒闸操作，即按先断开２５２号断路器，再断开２６２、２２２１号隔离开关的次序操作，也会造成用２６２号隔离开关断开３ＫＶ、１８００ＫＶＡ空载变压器的事故。此时，正确的倒闸操作次序也应该是按照断开２６２、２５２、２２２１的次序进行。

２．３．２事故时的倒闸操作

在２条生产线同时生产也就是２台变压器并联运行供电的过程中，如果２号变

了ＡＤ６２３的输出信号范围。ＡＤ６２３中的三个运放都是电压反馈型运放ＦＡ），所以当增益增加时，ＡＤ６２３带宽减小。ＡＤ６２３的增益（Ｇ）是用一个精密电阻（０．１　％～１％精度）ＲＧ设置的，不管脚１和８之间的阻抗如何，如果增益Ｇ＝１，则ＲＧ就不必连接。ＡＤ６２３的参考端（ＲＥＦ）电位用来确定零输出电压，当负载与系统的地不明确共地时特别有用，它提供一种对输出引入精密补偿的直接方法。还可以利

用参考端提供一个虚地电压来放大双极性信号，参考端允许电压变化范围为－Ｖ　Ｓ——＋Ｖ　Ｓ。如果ＡＤ６２３相对地输出，则

参考端应接地，ＡＤ６２３的误差很低，有两个误差源：输入误差和输出误差：当折合到输入端（ＲＴＩ）时，输出误差除以增益，实际上在增益很高时，输入误差起主要作

用；在低增益时，输出误差起主要作用。３、应用中要注意的问题ＡＤ６２３仪表放大器既可单电源供电

ＶＳ＝０Ｖ，　＋ＶＳ＝＋３Ｖ～＋１２Ｖ），也可双电源供电（ＶＳ＝±２．　５　～±６．　０Ｖ）。电源去藕电容应靠近电源管脚，最好选用表面贴装０．１μＦ陶瓷片状电容和１０μＦ钽电解电容。ＡＤ６２３的电源管脚内部设有箱位二极管，用来保护输入端、参考端、输出端和增益电阻端耐受比电源电压高或低０．３　Ｖ的过压，这对所有的增益，当电源接通和切断时均有保护作用，在信号源和放大器分别供电的情况下尤为重要。如果过压超过上述值，在两个输入端应外加限流电阻，使通过二极管的电流限制到１０ｍ，ＡＤ６２３仪表放大器的驱动能力比较小，它是为驱动１０ｋΩ以上负载阻抗而设计的，如果负载阻抗低于１　０ｋΩ，它的输出端应该加一级精密单电源缓冲器。