儀表放大器及應(yīng)用

１　概述

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(diǎn)。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，它們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，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(wǎng)絡(luò)。

用分離元件構(gòu)建儀表放大器(ＩＡ）需要花費(fèi)很多的時(shí)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(jiǎn)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(lái)進(jìn)行說(shuō)明，圖１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵(lì)電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對(duì)“電橋”進(jìn)行計(jì)算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

Ｖ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ

所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ

變送器輸出就是電橋兩個(gè)輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個(gè)激勵(lì)加在電橋的４個(gè)活動(dòng)臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時(shí)Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時(shí)若?。海遥保剑遥矗剑担埃埃宝?，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實(shí)際上，人們所關(guān)心的信號(hào)是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過(guò)對(duì)共模電壓（ＣＭＶ）進(jìn)行計(jì)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(jì)算表明，在有大的共模信號(hào)時(shí)，測(cè)量一個(gè)微弱的電壓信號(hào)比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)較大的電壓信號(hào)Ｖ２與Ｖ１來(lái)獲得，這兩個(gè)電壓均可在伏特級(jí)。

２　誤差

早期比例計(jì)量是用檢流計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它（不像ＩＡ）不受共模電壓的困擾。圖１僅是示意圖?沒(méi)有包括誤差源。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的主要誤差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（見(jiàn)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(diào)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(hào)的１％，其ＣＭＲ應(yīng)為：

　?。茫停郑剑担?ΔＶ＝２ｍＶ，則Ｖｏｓ＝ΔＶ１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

而要得到一個(gè)小于０．１％的誤差，則需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分離電路并進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)整可以獲得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要達(dá)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(huì)導(dǎo)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(diào)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(yùn)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(diào)節(jié)、共模輸入電壓、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形應(yīng)該參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最小值或最大值，有些情況下，也可以使用典型值，因?yàn)樵谕粫r(shí)刻不可能所有的參數(shù)都處于它們的極限值。

３　儀表放大器的結(jié)構(gòu)

３．１ 差分放大結(jié)構(gòu)

ＭＡＸ４１９８和ＭＡＸ４１９９是精密、低功耗差分放大器，增益由工廠預(yù)置（見(jiàn)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(duì)值的變化范圍是２５％。對(duì)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(duì)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(nèi)部運(yùn)算放大器的共模輸入電壓范圍為ＶＥＥ～（Ｖｃｃ－１．１Ｖ）。內(nèi)部運(yùn)放的輸入不具備滿擺幅特性，但ＭＡＸ４１９８的內(nèi)置電阻為一個(gè)分壓器，它使得輸入共模電壓范圍可超出電源擺幅。當(dāng)ＶＣＣ為５Ｖ時(shí)，ＭＡＸ４１９８的輸入范圍可超出電源擺幅１００ｍＶ，而且不會(huì)造成共模抑制比性能的下降或輸出與輸入的相位反轉(zhuǎn)。而ＭＡＸ４１９９輸入共模電壓范圍可擴(kuò)展到負(fù)電源電壓以下的１００ｍＶ～（Ｖｃｃ－１Ｖ）。當(dāng)Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差分放大器的簡(jiǎn)化方程是Ｖｏ＝Ｖｂ－Ｖａ；因此，四個(gè)電阻值的任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致ＣＭＲ的下降。

圖4

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(duì)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(shí)輸入阻抗的差異可使ＣＭＲ下降；

●信號(hào)源阻抗對(duì)ＣＭＲ影響較大。

３．２ 運(yùn)放結(jié)構(gòu)

ＭＡＸ４１９４－ＭＡＸ４１９７系列低功耗儀表放大器屬于三運(yùn)放拓?fù)洌渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖４所示。它的輸入級(jí)由兩個(gè)運(yùn)放組成，這兩個(gè)運(yùn)放可提供固定的差分增益和單位共模增益；輸出級(jí)是常規(guī)的差分放大器，具有１１５ｄＢ的共模抑制比（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）。ＭＡＸ４１９４的增益可由外部設(shè)定（＋１Ｖ／Ｖ～＋１０，０００Ｖ／Ｖ）；ＭＡＸ４１９５－ＭＡＸ４１９７則由內(nèi)部設(shè)置增益，固定增益分別為：＋１Ｖ／Ｖ、＋１０Ｖ／Ｖ和＋１００Ｖ／Ｖ。放大器的共模電壓輸入范圍是（ＶＥＥ＋０．２Ｖ）到（ＶＣＣ－１．１Ｖ）。理想情況下，儀表放大器只對(duì)作用在ＩＮ＋和ＩＮ－兩個(gè)輸入端的差分電壓有響應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓相同時(shí)，輸出為ＶＲＥＦ。ＩＮ＋與ＩＮ－之間的差分電壓將在增益設(shè)置電阻上產(chǎn)生相同的電壓和相應(yīng)電流（ＩＧ），該電流流過(guò)兩個(gè)輸入運(yùn)放Ａ１和Ａ２的反饋電阻可產(chǎn)生的電壓差為?

ＶＯＵＴ２－ＶＯＵＴ１＝ＩＧ(Ｒ１＋ＲＧ＋Ｒ１）

其中，ＶＯＵＴ１和ＶＯＵＴ２是Ａ１和Ａ２的輸出電壓，ＲＧ（內(nèi)置或外接）是增益設(shè)置電阻，而Ｒ１是輸入運(yùn)放的反饋電阻。此時(shí)，ＩＧ將由下式?jīng)Q定：ＩＧ ＝(ＶＩＮ＋ － ＶＩＮ－）／ＲＧ。儀表放大器輸出電壓（ＶＯＵＴ）由下式表示：

ＶＯＵＴ＝(ＶＩＮ＋－ＶＩＮ－）(２Ｒ１／ＲＧ＋１）

共模輸入電壓范圍是電源電壓和放大器輸出電壓的函數(shù)。當(dāng)電源為ＶＣＣ，ＲＥＦ端接ＶＣＣ／２時(shí)，可以得到最大的輸出信號(hào)擺幅，此時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓的擺幅為ＶＣＣ／２；若輸出電壓的擺幅沒(méi)有達(dá)到最大值，則共模輸入電壓的范圍還可相應(yīng)增加。如果儀表放大器選擇得不合理，共模輸入電壓范圍可能會(huì)受到電源電壓、增益和ＲＥＦ引腳電壓的影響。其原因是各內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)使放大器不再工作在線性區(qū)，而進(jìn)入飽和區(qū)。圖５是ＭＡＸ４１９４的典型共模輸入電壓范圍與輸出電壓擺幅間的關(guān)系（單位增益，單電源（ＶＣＣ）為５Ｖ時(shí)，偏置參考電壓ＶＲＥＦ為ＶＣＣ／２＝＋２．５Ｖ）。圖中，Ａ點(diǎn)到Ｄ點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于輸入放大器的滿量程輸入電壓范圍?ＶＥＥ＋０．２Ｖ? 到?ＶＣＣ－１．１Ｖ?。其它點(diǎn)（Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ）則由輸入放大器的輸入電壓范圍減去產(chǎn)生相應(yīng)輸出所需要的差分輸入幅度來(lái)決定。對(duì)于更高增益的配置，端點(diǎn)Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ上的共模電壓范圍還會(huì)增大，因?yàn)閷?duì)于給定的輸出電壓，只需更小的差分輸入電壓即可。

增益設(shè)置電阻Ｒｇ是儀表放大器的關(guān)鍵部件，其溫度系數(shù)對(duì)于放大器的總體性能有較大影響。內(nèi)置Ｒｇ的儀表放大器具有較好的溫度系數(shù)和溫度一致性，易于設(shè)置增益，且輸入阻抗較高，即便是在５０Ｈｚ～６０Ｈｚ的率下頻仍有很好的共模抑制比ＣＭＲ。但是，它的Ｖｉｎ、ＣＭＶ、增益和ＶＲＥＦ之間具有一定的制約關(guān)系。實(shí)際上，運(yùn)算放大器或儀表放大器的選擇依賴于具體的應(yīng)用，在具體應(yīng)用中，共模輸入電壓、電源電壓、增益、ＲＥＦ引腳電壓和傳感器阻抗必須綜合考察。利用放大器的ＲＥＦ引腳可以對(duì)輸出失調(diào)電壓進(jìn)行微調(diào)；而對(duì)于加在ＲＥＦ引腳上的微調(diào)電壓，則必須確保有一個(gè)較低的源阻抗，因?yàn)椋遥牛埔_上的附加阻抗將使ＣＭＲ變低。

４　典型應(yīng)用

４．１ 高邊監(jiān)視器

最簡(jiǎn)單的高邊監(jiān)視器通常需要一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一些精密電阻，常見(jiàn)的高邊測(cè)量都采用經(jīng)典的差分放大器（用作增益放大和高邊到地的電平轉(zhuǎn)換，見(jiàn)圖６）。雖然很多應(yīng)用中也會(huì)使用分離電路，但其輸入阻抗較低，而且電阻之間有較大差異。電阻的匹配必須非常精確才能獲得可接受的共模抑制比，任一個(gè)電阻值存在０．０１％的偏差都將使ＣＭＲＲ降低到８６ｄＢ；如果偏差為０．１％，將使ＣＭＲＲ降低到６６ｄＢ；而１％的偏差將使ＣＭＲＲ降低到４６ｄＢ。選擇儀表放大器結(jié)構(gòu)時(shí)，有一個(gè)需要特別關(guān)注的參數(shù)，即在放大器任何輸出擺幅下，輸入共模電壓的范圍均應(yīng)包括高邊電壓加上一個(gè)安全裕量。

４．２ 電平轉(zhuǎn)換器

此電路的工作原理可以這樣來(lái)理解，將ＭＡＸ４１９８看作一個(gè)三輸入求和放大器（如圖７所示），其電壓傳輸函數(shù)為Ｖｏｕｔ＝Ｖｂ－Ｖａ＋Ｖｓｈｉｆｔ，此式表明，輸出由差分信號(hào)與ＲＥＦ輸入電壓的代數(shù)和所決定，ＶＲＥＦ可為任意值，它不會(huì)使ＭＡＸ４１９８的放大器輸出飽和，ＭＡＸ４１９４也適合作一個(gè)精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：－１、２或 １ 。

４．３ 應(yīng)力測(cè)量

三運(yùn)放拓?fù)涞恼嬲齼?yōu)勢(shì)是其能夠進(jìn)行真正的差分測(cè)量（很高的ＣＭＲ），同時(shí)又有非常高的輸入阻抗，這些特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，特別是在信號(hào)源阻抗非常高的場(chǎng)合。為使信號(hào)源對(duì)地的漏電流達(dá)到最小，本例采用了一些防護(hù)技術(shù)，信號(hào)源電纜采用屏蔽電纜，并將其屏蔽隔離層接到（Ｖｃｍ＋ΔＶ／２）。圖８給出了一個(gè)包括惠斯通電橋傳感器的放大電路，對(duì)該電路的電橋阻抗可適當(dāng)減小，并不會(huì)降低儀表放大器的ＣＭＲ值。