可在低電壓下實現(xiàn)高共模抑制比的儀表放大器

作者：時間：2005-05-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　現(xiàn)代的電池電壓為3~3.6V，這就要求電路能在低壓下高效工作。本設(shè)計提出的一種交流耦合儀表放大器，具有很大的共模抑制比（CMRR）、很寬的直流輸入電壓容限以及一階高通特性。這些特性大多是由高增益第一級設(shè)計提供的。電路采用普通參數(shù)值和普通容限的元件。圖1a示出簡化的放大器電路。該電路的一般原理是電容器C和電阻器R₃對輸入信號進行緩沖和交流耦合。第二級由兩個差動放大器AD組成。每個差動放大器放大差動輸入信號的一半。求和運算可以得到求V_OUT的如下公式：

　　在圖1a中， V_A、V_B、V_C和V_D是兩個差動放大器的輸入電壓，AD是增益。時間常數(shù)2R₃C決定高通的截止頻率。圖1b示出了詳細的電路。輸入級由運算放大器A₁、A₂、A₃和A₄組成。A₁和A₂是主要的增益級。因為A₁和A₂的反相輸入端和非反相輸入端的電位相同，所以A₁和A₂的輸入電壓都供給電阻器R₃。緩沖器A₃和A₄與電阻器R₂一起，可使R₃的電流放大1+R₃/R₂倍，因為R₂和R₃都連接到相等的電位。這種電路結(jié)構(gòu)是本設(shè)計的核心。電容器C上的電壓沒有交流分量，而A₁和A₂各放大差動輸入交流信號的一半。C濾除出現(xiàn)在A₃和A₄輸出端的輸入直流分量。第二級是一個增益為1的、四個輸入加法器―減法器級。它能實現(xiàn)上述的公式，式中的AD等于1+R₁/(R₂||R₁) 。假定R₃>>R₂, AD=1+R₁/R₂。

圖1 電容器C對簡化的放大器電路（a）進行交流去耦；詳細的電路（b）采用幾個增益級和一個加法器―減法器級。

　　第二級的另一種可能的實現(xiàn)方法是采用兩個差動通道ADC，產(chǎn)生一個數(shù)字化的V_OUT，供微處理器處理。如果使用一個5V的電源，則就有可能利用一塊芯片上的兩個差動放大器，如INA₂134來獲得V_OUT。你可以計算出共態(tài)抑制比的最小值：
　　式中A_D(1-4) 分別是放大器A₁到A₄的差動增益，A_CM(1-4) 分別是這四個放大器的共模增益，AD5是放大器A₅的差動增益，A_CM5則是A₅的共模增益。Δ是電路中電阻器R4的容限。一個非常重要的參數(shù)是運算放大器的輸入失調(diào)電壓，對于A₃和A₄來說尤其是這樣。A₁和A₂的失調(diào)電壓不會引起差錯，因為它們只增加輸入信號的直流分量，而電容器C則將這些直流分量去掉。

由運算放大器失調(diào)電壓引起的最大輸出電壓誤差為：
　　式中，V_10MAX為相應(yīng)運算放大器的最大失調(diào)電壓。在選擇運算放大器時，你應(yīng)該注意以下兩點：A₃、A₄和A₅應(yīng)為低失調(diào)電壓和高共模抑制比（CMRR）的運放，而A₁和A₂應(yīng)具有很高的開環(huán)增益、共模抑制比（CMRR）和增益帶寬乘積。圖2示出了一種實用的放大器電路。電源是一塊3V鋰電池。你可以選用幾種運算放大器，如MCP607系列或OPA₂336系列。由于輸入共模電壓范圍的緣故，你要把信號地電位調(diào)到電源電壓的三分之一。二極管D₁能防止電路閉鎖。R₇-C₄網(wǎng)絡(luò)在輸入端濾除射頻噪音。你可以根據(jù)下述的考慮因素推導(dǎo)R₇-C₄網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：如果R₇C₄=(R₁||R₂||R₃)C2~R₂C2，則放大器傳遞函數(shù)中的高頻零就會消去：
　　該電路具有以下的優(yōu)點：
　　● 第一級確保總增益，從而在第二級不采用高精度電阻器的情況下也可提供高共模抑制比（CMRR）；
　　● 只要把確定低頻的RC網(wǎng)絡(luò)連接到兩個放大輸入信號的運算放大器的反相輸入端，該電路就不需要另外的輸入緩沖器；
　　● 該電路利用具有普通參數(shù)值和容限的無源元件就可提供標準的一階高通特性；
　　● 采用3V電源，差動輸入信號范圍可高達2V；
　　● 該電路消耗的電源電流和功率都很小，分別為120μA和0.4mW左右。