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