單電源儀表放大器電路圖

3.1.2 二運(yùn)放儀表放大器的共模范圍

二運(yùn)放儀表放大器的輸入共模范圍受編程增益的影響。圖3中,A1工作在閉環(huán)增益為1.1時(shí),輸入端的任一共模電壓都被放大（即輸入共模電壓經(jīng)1.1倍放大后出現(xiàn)在A1的輸出端）。

現(xiàn)在討論儀表放大器可編程增益為1.1時(shí)的情況（R₁=1kΩ,R₂=10kΩ,R₃=10kΩ,R₄=1kΩ）。A1的閉環(huán)增益為11,因?yàn)楣材ｋ妷簳?huì)被放大,所以輸入共模范圍受A1輸出擺動(dòng)幅度的嚴(yán)格限制。在應(yīng)用中,強(qiáng)制性使用低電壓引起的問(wèn)題特別嚴(yán)重,這種情況下,運(yùn)用滿幅度放大器會(huì)增加一些擺動(dòng)范圍以緩解這個(gè)問(wèn)題。

三運(yùn)放儀表放大器

圖5是三運(yùn)放儀表放大器的結(jié)構(gòu),是分離和集成儀表放大器最常選的結(jié)構(gòu)。整個(gè)增益的傳輸函數(shù)很復(fù)雜,當(dāng)R₁=R₂=R₃=R₄時(shí),傳輸函數(shù)可以簡(jiǎn)化為

（6）

R₅和R₆設(shè)置為相同值（通常在10～50kΩ）。簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)R_G的值,電路的整個(gè)增益可由單位值調(diào)至任意高的值。

3.2.1 三運(yùn)放儀表放大器的共模增益

如所期望的,儀表放大器的共模增益的理論值為0。為計(jì)算共模增益,設(shè)定輸入端只有一個(gè)V_cm共模電壓（也即V_in+=V_in-=V_cm）。R_G上沒(méi)有電壓降,A1,A2的輸出電壓也等于V_cm,設(shè)A1和A2理想匹配,因此第一個(gè)近似值即第一級(jí)共模增益等于單位值并獨(dú)立于編程增益。

假定運(yùn)放A3是理想的,第二級(jí)共模增益由式（7）得到

代入式（1）,共模抑制比就變?yōu)槭剑?）

式中的分母比二運(yùn)放儀表放大器時(shí)復(fù)雜得多,而正如式（4）所示,分母可用電阻的失配百分率來(lái)表示,即

在式（8）中,如果4個(gè)電阻都相等（或R₁=R₃,R₂=R₄）,其分母就會(huì)變?yōu)?,而這幾個(gè)電阻的任何失配都會(huì)使共模電壓的一部分出現(xiàn)在輸出端。與二運(yùn)放儀表放大器相似：任何電阻間溫度漂移的失配都會(huì)降低CMRR。

3.2.2 三運(yùn)放儀表放大器的交流CMRR

如果A1,A2很好的匹配（即相同的閉環(huán)帶寬）,CMRR就不會(huì)像二運(yùn)放那樣迅速下降。對(duì)比一下圖2和圖4,三運(yùn)放儀表放大器的CMRR在100Hz之前相對(duì)平坦,而二運(yùn)放儀表放大器的CMRR在大約10Hz時(shí)就開始降低。

如通常一樣,熱電偶的一端接地,使偏置電流流入儀表放大器。因此,同相、反相輸入電壓中間的共模電壓非常接近地電平。實(shí)際上,從熱電偶而來(lái)的電壓開始變負(fù)時(shí),有效共模電壓也變負(fù)。

在傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器中,當(dāng)熱電偶電壓開始大于零時(shí),輸入級(jí)的電壓擴(kuò)展效果會(huì)導(dǎo)致輸入級(jí)的一個(gè)運(yùn)放的輸出電壓變?yōu)榈?。圖6的電平偏置結(jié)構(gòu)通過(guò)有效的在共模電壓上加0.6V,避免了這個(gè)問(wèn)題,從而對(duì)地有更多的擺動(dòng)范圍,并且使A1和A2滿幅度運(yùn)放的輸出電壓處于線性區(qū)域,即使輸入電壓和共模電壓低于地電平。輸入電壓可以負(fù)到150mV,這由編程增益和共模電壓控制。

在此例中,儀表放大器的設(shè)置增益為91.9（R_G=1.1kΩ）,基準(zhǔn)腳的電壓設(shè)為2V,只要熱電偶電壓處在溫度為－200～+200℃間變化,儀表放大器的輸出電壓范圍就為1.274～2.990V（對(duì)地）,這個(gè)電壓擺動(dòng)范圍很適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍（2V±1V）。

3.2.5 單電源二運(yùn)放儀表放大器在低共模電壓中的應(yīng)用

加一個(gè)V_be電壓降使共模電壓升高的方法可應(yīng)用于二運(yùn)放儀表放大器。圖8是AD627的簡(jiǎn)圖,它是一個(gè)集成二運(yùn)放儀表放大器,運(yùn)用特殊技術(shù)來(lái)獲得整個(gè)頻率范圍內(nèi)的高CMRR。必須指出,對(duì)于三運(yùn)放儀表放大器而言,必須注意補(bǔ)償內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓,避免信號(hào)飽和,這在單電源應(yīng)用中格外嚴(yán)格。一般說(shuō)來(lái),最大增益由輸出有效信號(hào)的范圍決定（反相通道大于50mV,同相通道為100mV以內(nèi)）。而在輸入共模電壓接近或等于零的單電源應(yīng)用中,編程增益有一定限制。當(dāng)輸入、輸出和基準(zhǔn)引腳（REF）的電壓范圍由技術(shù)說(shuō)明所規(guī)定時(shí),這些引腳的電壓范圍是互相影響的。在圖8中,由含有共模分量V_cm的差模電壓V_diff驅(qū)動(dòng),運(yùn)放A1輸出端電壓是V_diff、V_cm、V_ref引腳電壓和編程增益的函數(shù)：

V_A1=1.25（V_cm +0.5V）- 0.25V_ref -V_diff（25kΩ/R_G－0.625）

也可用-IN和+IN（V_－和V₊）腳上的實(shí)際電壓來(lái)表示：

V_A1=1.25（V_－+0.5V）- 0.25V_ref -（V_＋ -V_－）25kΩ/R_G

A1的輸出電壓在反相通道為50mV以內(nèi),同相通道為200mV以內(nèi)擺動(dòng),上述等式可用以驗(yàn)證A1的電壓是否在此范圍內(nèi)。從以上任何一個(gè)等式可以看到,當(dāng)V_ref作為AD627的輸出(A2)正偏置增加時(shí),A1的輸