关于仪表放大器

忘是亡心i 2022-09-21 05:37 138阅读 0赞

**仪表放大器使用参考**

仪表放大器（又称测量放大器）测量噪声环境下的小信号。噪声通常是共模噪声，所以，当信号是差分时，仪表放大器利用其共模抑制(CMR)将需要的信号从噪声中分离出来。

在这些应用中，信号源的输出阻抗常常达几kΩ或更大，因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。

设计工程师确定放大器时，主要关心的是电源电流、–3dB带宽、共模抑制比(CMRR)、输入电压补偿和补偿电压温漂、噪声(指输入)以及输入偏置电流。

如何保护仪表放大器的输入免受过电压的影响？

设计师需要采用外部限流电阻来防止过电压通过内部静电放电(ESD)箝位二极管驱动过高的电流。这些电阻的值取决于仪表放大器的噪声水平、电源电压，以及需要的过压保护，详见器件的datasheet。

这些电阻增加了噪声，所以一种可替代的方案是使用外部高电流箝位二极管和阻值非常小的电阻。遗憾的是，大多数普通二极管的漏电流太大，会产生大的输出漂移误差，该误差随温度变化呈指数关系增加，所以设计师不应该将标准二极管用于高阻抗信号源。

传感器与仪表放大器之间的长引线会引起RF。仪表放大器随之将此RF整流为DC偏移。图2给出了一个方案，可在RF到达仪表放大器前就将其滤掉。元件R1a和C1a在同相端构成一低通滤波器，R1b和 C1b在反相端同样构成低通滤波器。

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图2

这两个低通滤波器截止频率的很好匹配很重要。否则，共模信号将会被转换为差分信号。 C2 在高频段将输入 “ 短路 ” ，能在一定程度上降低这种要求， C2 值的大小应该至少为 C1 的 10 倍。虽然如此，C1a和C1b的匹配仍很关键，应该选用±5% C0G薄膜电容。该滤波器的差分带宽为\[1/2πR(2C2 + C1)\]，共模带宽为\[1/2πR1C1)\]。

在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器。

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上图是目前广泛应用的三运放测量放大器电路。测量放大器电路还具有增益调节功能，调节RG可以改变增益而不影响电路的对称性。其中A1、A2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和开环增益）的通用集成运放，工作于同相放大方式，构成平衡对称的差动放大输入级，A3工作于差动放大方式，用来进一步抑制A1、A2的共模信号，并接成单端输出方式适应接地负载的需要。

该电路分析如下：

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**输入回路的重要性**

测量放大器的共模抑制比主要取决于输入级运放A1、A2的对称性以及输出级运放 A3的共模抑制比和输出级外接电阻R3、R5及R4、R6的匹配精度（±0.1%以内）。一般其共模抑制比可达120dB以上。

此外，测量放大器电路还具有增益调节功能，调节RG可以改变增益而不影响电路的对称性。而且由于输入级采用了对称的同相放大器，输入电阻可达数百兆欧以上。

目前，许多公司已开发出各种高质量的单片集成测量放大器，通常只需外接电阻RG用于设定增益，外接元件少，使用灵活，能够处理几微伏到几伏的电压信号。

AC耦合是一种屏蔽出现在仪表放大器输入端的DC电压的简便方法。但是在不提供DC回路的情况下当AC耦合到高阻抗的仪表放大器的输入端时，常常导致电路不能工作！这是使用仪表放大器时一个最常见的应用问题。图5-3示出了两种常见的不正确连接。

![仪器仪表放大器--输入回路的重要性][--]

在图5-3A中，输入偏置电流对AC耦合电容器 充电，直至其电压超过输入共模电压。换言之，电 容器将充电到电源电压或放电到地电位，取决于输 入偏置电流的方向。目前，对于FET输入放大器和 电容值非常大的电容器，这个过程会花数分钟才能 使仪表放大器开始工作，从而出现临时的实验室测 试可能检测不出这一问题，因此如何完全避免该问 题是非常重要的。图5-3B示出了没有中心抽头或其 它用于DC返回的器件的变压器耦合输入，因此出 现了相同的问题。

运算放大器内部输入级如图所示：

![仪器仪表放大器--输入回路的重要性][-- 1]

分析可知，由于输入级是三极管电路，其在工作时必须有静态偏置电流，因此输入的必须有DC回路！！！！

用于解决图5-3A 中电路问题的一种简单解决方案是，在每个输入端和地之间添加一只高阻值的电阻器（R1和R2），如图5-4所示。现在输入偏置电流可以自由地流到地，并且不会像以前一样产生大的输入失调。

![仪器仪表放大器--输入回路的重要性][-- 2]

这对于双电源仪表放大器电路是一种简单实用 的解决方案。这些电阻器可为输入偏置电流提供放 电路径。现在两个输入端均以地电位为参考电位。 由于流过这两个阻值不等的电阻器的输入偏置电流 不是匹配的，因此会产生小的失调电压误差。 为了避免由于R1/R2失配引起的误差，可以在仪表放大器的两个输入端之间连接第三只电阻器，其阻值为R1或R2的十分之一。

同向输出端的接地电阻对放大器的影响，由于静态的电流的存在，因此不同阻值的接地电阻会影响偏置电压(即输入为0时的输出！！！！)

图5-5示出了推荐用于变压器耦合输入的DC 回路。

![仪器仪表放大器--输入回路的重要性][-- 3]

对于没有中心抽头的变压器，可以使用两只电阻器提供DC返回路径，这两只电阻器分别连接在输入引脚和地之间。

**TL084布线参考**

1.电源处添加低ESR（EquivalentSeriesResistance）旁路电容；2.元件布局尽量靠近运放以减少寄生误差；3.信号输入要尽可能的远离电源。

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