精密仪用放大器INA114原理及应用

精密仪用放大器INA114原理及应用
摘要：
第一章引言
INA114是美国BURR—BROWN公司推出的精密仪用放大器，具有成本低、精度高通用性强等优点，三运放结构设计，减小了尺寸，拓宽了应用范围。

利用一个外部电阻器就可在1—10000范围内进行增益调节，内部输入防护可承受高达±40V的共模电压而不会损坏。

INA114具有低失调电压(50μV)、低漂移μV/︒C)和高共模抑制比(当G = 1000时为115dB )。

能在±低电源情况下工作，也可用5V单电源工作。

静态工作电流最大3mA。

第二章INA114结构原理及特点
一、特性
1．低失调电压: 最大50μV
2．低漂移: 最大μV/︒C
3．低输入偏流: 最大2nA
4．高共模抑制:最小115dB
5．输入过压保护:±40V
6．宽电源范围: ±2.25 —±18V
7．低静态电流: 最大3mA
二、应用
1．电桥放大器
2．热电偶放大器
3．RTD感测放大器
4．医用放大器
5．数据采集
三、结构原理图
INA114结构原理图如图1所示：
图1 结构原理图
1． V IN-(脚2)：信号反向输入端。

该端与信号同相输入端（脚3）构成差分输入。

2． V IN+(脚3)：信号同向输入端。

3．增益调整(脚1、8)：该端接外接增益调整电阻器R G。

4． V O(脚6)：放大器输出端。

5． Ref(脚5)：参考电压输入端，通常接地。

为确保良好的共模抑制，连接必须是低阻抗的，如果一个5 的电阻串接在此脚，将引起共模抑制比典型值下降到80dB（G=1）。

三、工作原理分析
1．三运放仪用放大器电路结构
仪用放大器的三运放结构，是在差动运放的基础上发展起来的一种比较完善的结构形式，如图2所示，其中，A1、A2为同相放大器，A3为差动放大器，三个运放都具有高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声等特性，且A1、A2性能完全匹配。

图2 三运放仪用放大器电路结构
2．工作原理分析
(1)当Ui1单独作用，即Ui2 = 0时：Ui2 = 0， UN = 0
(2)当U i2单独作用(Ui1= 0)时：Ui1 = 0， UM = 0
(3)当Ui1、Ui2同时作用时：
当满足电阻匹配条件，即 R5 = R4 , R7 = R6 , R3 = R2时，输出电压为：
选择R2～R6=R ，则增益为：
因此，INA114的增益为： G
R k G Ω
+
=501 i1
1
2
1o1
U R R R U +='i11
3
o2
U R R U -='i2
1
2
1o2
U R R R U +=''i21
2
o1
U R R U -=''o1o1
o1U U U '''=+122i1i2
11R R R
U U R R +=-o2o2
o2U U U '''=+133i2i111
R R R
U U R R +=-6o o2o14()R U U U R =
-6123i2i114
()
()R R R R U U R R ++=-1
21)(413216R R
R R R R R R G +
=++=
其中，R
是外接电阻器，50k 是内部两个反馈电阻值的和。

G
第三章INA114基本应用简介
一、增益设定
INA114的增益由一个外部链接电阻RG设定，常用增益和相应的电阻值表示在图1中。

图3 INA114基本应用连接图
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,可以由增益公式直接推导出来。

高增益需要低阻值,所以接线电阻就很重要。

管座引入的接线电阻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。

二、失调电压调整
INA114用激光来修正微小的失调电压和漂移,在多数应用中不需要外部失调调整，当输出电压失调需要调整时，可按照图4连接。

为保证低阻抗连接，通过运放对调整电压进行缓冲。

图4 输出电压失调调整电路图
在大多数应用中,INA114产生的噪声都很小。

对于小于1kΩ的差动信号源电阻,INA103产生的噪声更小;信号源电阻大于5kΩ时,INA111型FET输入仪用放大器产生的噪声更小一些。

INA114的低频噪声频率峰-峰值约为0.4μV(从0.1Hz到10Hz)。

这大约是使用斩波稳零的“低噪声”放大器所产生的噪声的十分之一。

三、输入偏流回路
INA114的输入阻抗近似为1010Ω，输入偏置电流小于±1nA。

高输入阻抗也表示输入偏置电流随输入电压的变化很小。

输入电路必须为INA114正常工作提供一个偏流路径，没有偏流回路，输入就会浮置在某个超过共模范围的电平上，并使INA114饱和。

如果差分信号源输入阻抗低，偏流路径可直接接到一个输入端上。

当信号源阻抗较高时，利用两个电阻器构成均衡输入电路，尽可能降低由于偏流产生的失调电压和保证良好的共模抑制比。

图5中表示各种不同情况下提供的偏流回路。

图5 各种共模输入电流路径
第四章应用设计
一、电缆线屏蔽层驱动电路
电缆线屏蔽层驱动电路如图6所示。

信号在长距离差分传送时，用电缆线进行连接，为保证电缆线的屏蔽层与INA114共模电压同电位，通过运放连接，将屏蔽层驱动到共模电位。

图6 屏蔽层驱动电路
Ω为运放提供输入信号，同时均衡共模电压。

电路增益电阻为：
Ω=+=
k RG 505.0)
1.22(2511.0)
1.22(2*511.0
查图3中的表可知，此电路增益为G=100。

二、RTD 温度测量电路
利用电阻温度探测器（RTD ）构成的温度测量电路如图7所示。

图7 RTD 温度测量电路图
R Z 为RTD 温度测量电阻的最小电阻，两个100μA 恒流源分别驱动RTD 和R Z ，仪用放大器INA114测量放大RTD 和R Z 上的电压差，调整RZ 的值，使在R Z =(R RTD )MIN 时，V O =0V 。

由于电路结构的对称性，消除了由于接线产生的共模输入型号的影响。

三、具有冷端补偿的热电偶放大器电路
图示为由INA114构成的有冷端补偿的热电偶放大器。

采用REF102精密基准电压源(10.0V)对热电偶供电，热电偶产生的电压由INA114放大后输出。

二极管1N4148在200μA 时为-2.1mV ／o C ，100Ω电位器R6用于电路调零。

如选用其他型号的热电偶，可参照下表。

图8 具有冷端补偿的热电偶放大器电路图
四、交流耦合仪用放大器电路
图示为由INA114构成的交流耦合仪表放大器。

OPA602构成具有交流特性的反馈电路，f-3db=1/2 R1C1=1.59Hz。

将信号反馈到INA114的Ref 端(5脚)，由此组成交流耦合电路。

图9 交流耦合仪用放大器电路图
五、差分电压/电流转换器
图10 差动电压—电流变换电路图
图示为差动电压—电流变换电路。

INA114输出经由R1及A1构成电流源，因运算放大器输入阻抗极高，偏流极小，即I L>>I B，因此，输出电流I L=Io可以看作是恒定的，只与输入电压和R1有关，Io=(VIN／R1)×G。

第五章结论
主要写通过课程设计自己在那几个方面得到提高
参考文献：。