儀表放大器概述及應用

　　儀表放大器（英語：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡稱INA），差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。下面是小編收集整理的儀表放大器概述及應用，希望能夠幫助到大家。

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　　儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎部件（運算放大器）基本相同，它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數主要由反饋網絡決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它們通常不需要外部反饋網絡。

　　用分離元件構建儀表放大器(ＩＡ）需要花費很多的時間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，這里以圖１所示的惠斯通電橋變送器來進行說明，圖１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對“電橋”進行計算可得：

　�。郑保剑郑澹�(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

　�。郑玻剑郑澹�（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ

　　所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ

　　變送器輸出就是電橋兩個輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個激勵加在電橋的４個活動臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實際上，人們所關心的信號是：

　　ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對共模電壓（ＣＭＶ）進行計算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

　　上述計算表明，在有大的共模信號時，測量一個微弱的電壓信號比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過測量兩個較大的電壓信號Ｖ２與Ｖ１來獲得，這兩個電壓均可在伏特級。

　　２誤差

　　早期比例計量是用檢流計實現的，它（不像ＩＡ）不受共模電壓的困擾。圖１僅是示意圖?沒有包括誤差源。實際應用系統(tǒng)的主要誤差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（見圖２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模電壓的存在而引起的放大器的輸入失調電壓的偏差，ＣＭＲ定義為ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?。在圖２所示的惠斯通電橋中，若要使誤差小于差分信號的１％，其ＣＭＲ應為：

　�。茫停郑剑担�?ΔＶ＝２ｍＶ，則Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

　�。茫停遥剑玻埃欤铮�?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

　　而要得到一個小于０．１％的誤差，則需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分離電路并進行嚴格調整可以獲得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要達到如此高的穩(wěn)定性，還須采用線繞電阻，但線繞電阻的等效電感會導致ＣＭＲ的頻率特性退化。電源抑制（ＰＳＲ）是指由于電源電壓的變化而引起的放大器輸入失調電壓的偏差，ＰＳＲ的定義為：ＰＳＲ＝２０ｌｏｇ?ΔＶｏｓ／ΔＶｓｕｐｐｌｙ?。而Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ／Δｔｅｍｐ、Ｉｂ和Ｉｏｓ誤差的處理方法與傳統(tǒng)運算放大器相同，但必須考慮各種條件下的誤差：包括溫度范圍、源電阻、電源調節(jié)、共模輸入電壓、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形應該參考數據手冊中的最小值或最大值，有些情況下，也可以使用典型值，因為在同一時刻不可能所有的參數都處于它們的極限值。

　　３儀表放大器的結構

　�。�.１ 差分放大結構

　�。停粒兀矗保梗负停停粒兀矗保梗故蔷�密、低功耗差分放大器，增益由工廠預置（見圖３）。ＭＡＸ４１９８具有＋１Ｖ／Ｖ的增益，ＭＡＸ４１９９具有＋１０Ｖ／Ｖ的增益。雖然電阻器件精確匹配，但其絕對值的變化范圍是±２５％。對于ＭＡＸ４１９８，同相輸入阻抗典型值是５０ｋΩ，反相輸入阻抗典型值是２５ｋΩ。對于ＭＡＸ４１９９，同相輸入阻抗典型值是２７５ｋΩ， 反相輸入阻抗典型值是２５ｋΩ。內部運算放大器的共模輸入電壓范圍為ＶＥＥ～（Ｖｃｃ－１．１Ｖ）。內部運放的輸入不具備滿擺幅特性，但ＭＡＸ４１９８的內置電阻為一個分壓器，它使得輸入共模電壓范圍可超出電源擺幅。當ＶＣＣ為５Ｖ時，ＭＡＸ４１９８的輸入范圍可超出電源擺幅１００ｍＶ，而且不會造成共模抑制比性能的下降或輸出與輸入的相位反轉。而ＭＡＸ４１９９輸入共模電壓范圍可擴展到負電源電壓以下的１００ｍＶ～（Ｖｃｃ－１Ｖ）。當Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４時，標準差分放大器的簡化方程是Ｖｏ＝Ｖｂ－Ｖａ；因此，四個電阻值的任何不匹配都會導致ＣＭＲ的下降。

　　雖然分離差分放大電路已被廣泛使用，但它還有以下主要缺陷：

　　●輸入電阻等于Ｒ１，相對較�。�

　　●輸入電阻通常存在較大差異；

　　●電阻一定要非常精確地匹配才能得到可接受的共模抑制比；

　　●較高頻率時輸入阻抗的差異可使ＣＭＲ下降；

　　●信號源阻抗對ＣＭＲ影響較大。

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