如何構(gòu)建儀表放大器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
典型的被測(cè)信號(hào)可以是生物信號(hào)，如心電圖（ECG）信號(hào)或者是來(lái)自諸如惠斯登電橋等傳感器的微弱信號(hào)。由于這些信號(hào)源常常具有幾千歐姆或更高的輸出阻抗，因此儀表放大器需要具有很高的輸入阻抗（典型數(shù)值在千兆歐姆級(jí)）。此外，由于儀表放大器往往要驅(qū)動(dòng)輸入阻抗很低的后級(jí)電路，如A/D轉(zhuǎn)換器等，因此要求儀表放大器的輸出阻抗很低。儀表放大器工作頻率通常在直流到1 MHz之間，而在MHz級(jí)的速度下，輸入電容比輸入電阻更為重要，因此這類(lèi)應(yīng)用要考慮使用差分放大器。這種差分放大器輸入阻抗較低，但速度要快很多。
常見(jiàn)儀表放大器
差動(dòng)放大器
差動(dòng)放大器不是儀表放大器，但是有時(shí)可以用在儀表放大器的場(chǎng)合。其電路只需一個(gè)運(yùn)算放大器，如圖1所示。在對(duì)高輸入阻抗或者增益沒(méi)有苛刻要求的場(chǎng)合，使用它是很方便的。
該電路的傳遞函數(shù)為：
Vout=R1/R2(VA-VB)
這一傳遞函數(shù)是在理想運(yùn)算放大器和理想電阻器匹配條件下得出的。然而，當(dāng)電阻不完全匹配時(shí)，同相放大電路和反相放大電路的傳遞函數(shù)不相等，就會(huì)有共模信號(hào)泄露出來(lái)。以0.1%的電阻匹配誤差為例，最差情況下CMRR為54 dB，即10 V的共模信號(hào)會(huì)產(chǎn)生20 mV的輸出誤差。
差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最主要的缺點(diǎn)是輸入阻抗很低。由于增益由R1/R2決定，因此需要在高增益和高輸入阻抗間做出折中。此外，將信號(hào)分壓變小后再進(jìn)行放大（如同相通路），并不是獲得良好噪聲性能的方法。對(duì)于反相通路而言，加入了額外的電阻，并且反相放大電路的噪聲增益總比信號(hào)增益高。提高輸入阻抗就要求增加電阻的數(shù)值，這樣將會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。最后，共模抑制比也受到限制。為了改善這些缺點(diǎn)，第一步是對(duì)輸入進(jìn)行緩沖，這樣就解決了輸入阻抗的問(wèn)題，如圖2所示。
在對(duì)輸入進(jìn)行緩沖的同時(shí)，如果引入一些增益，除了可以得到高阻抗，還會(huì)產(chǎn)生很好的噪聲性能，如圖3所示。
電路中差動(dòng)放大器的噪聲仍然存在，但折算到輸入端時(shí)噪聲要除以第一級(jí)的增益。由于可以使用阻值非常小的電阻器，因此第一級(jí)的噪聲可以做得非常低，而且不影響輸入阻抗。這種結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)好處是在高增益時(shí)有較寬的帶寬。原因是電壓反饋放大器具有一定的增益帶寬乘積，通過(guò)把增益分散到兩級(jí)放大器，可使每一級(jí)的增益比較低，降低差動(dòng)放大器級(jí)的增益，從而不會(huì)被增益帶寬乘積所限制。然而還有一個(gè)沒(méi)解決的問(wèn)題就是共模抑制比。圖3的電路將共模信號(hào)和差分信號(hào)都放大了，而所有的共模抑制都在差分放大級(jí)實(shí)現(xiàn)，因此，很容易超過(guò)第一級(jí)的輸入電壓范圍。
三運(yùn)放儀表放大器
將圖3中第一級(jí)放大電路中的接地點(diǎn)去掉來(lái)解決共模抑制的問(wèn)題，從而構(gòu)成三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器，如圖4所示。
第一級(jí)電路讓共模信號(hào)有效地通過(guò)，沒(méi)有任何放大或衰減，第二級(jí)差動(dòng)放大器將共模信號(hào)去除。由于額外提升了差分增益，雖然電阻器的匹配狀況并沒(méi)有改善，但是系統(tǒng)的有效共模抑制能力卻得到了增強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中需要注意：
1）必須在第一級(jí)提供增益；
2）系統(tǒng)的共模抑制不是由前兩個(gè)放大器的共模抑制比性能決定的，而是取決于兩個(gè)共模抑制的匹配程度。然而雙運(yùn)算放大器從來(lái)不會(huì)給出這一指標(biāo)，因此選擇時(shí)必須要求CMRR性能指標(biāo)比需要的目標(biāo)性能指標(biāo)至少好6 dB；
3）如果電阻器有某些對(duì)地的泄露通路，CMRR指標(biāo)就會(huì)降低；
4）儀表放大器前面的元件要盡可能設(shè)計(jì)得平衡。如果儀表放大器同相通路中低通濾波器和反相通路中低通濾波器具有不同截止頻率，系統(tǒng)的CMRR特性將會(huì)隨著頻率的升高而降低。
對(duì)于儀表放大器的第一級(jí)，每個(gè)運(yùn)算放大器都要保持其兩個(gè)電壓輸入端的電壓相同。圖4中R4兩端的差分電壓應(yīng)當(dāng)和兩個(gè)輸入端的電壓相同，這個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)電流，流過(guò)電阻器R3并產(chǎn)生了放大器的增益。
三運(yùn)放儀表放大器通常會(huì)遇到的問(wèn)題有：
1）這一結(jié)構(gòu)放大差分信號(hào)，然后去除共模信號(hào)。兩級(jí)電路之間的中間節(jié)點(diǎn)載荷著大約一半的差分信號(hào)再加上共模信號(hào)。須確保這個(gè)信號(hào)處于運(yùn)放的工作范圍之內(nèi)。當(dāng)改變輸入電壓的共模成分時(shí)，如果看到類(lèi)似于飽和的現(xiàn)象，則應(yīng)首先檢查這里。
2）流過(guò)R4的電流。當(dāng)把儀表放大器的增益設(shè)置得很高時(shí)，R4就會(huì)很小，這意味著差分電壓很大的時(shí)候，R4上產(chǎn)生的電流也會(huì)相當(dāng)大。需要檢查這種情況對(duì)系統(tǒng)是否有負(fù)面作用。
3）反饋通路中的電容。反饋通路的走線(xiàn)應(yīng)盡可能地短，反饋通路過(guò)大的電容在高頻時(shí)會(huì)使共模抑制比性能降低。
評(píng)論