在本文中，我們將討論具有高共模抑制并提供高和相等輸入阻抗的儀表放大器（儀表放大器）。我們還將探討常用儀表放大器（通常稱為三運(yùn)儀表放大器）的優(yōu)缺點(diǎn)。

在本系列的前幾篇文章中，我們討論了儀表放大器（儀表放大器）應(yīng)具有 高共模抑制 以及 高阻抗和相等輸入阻抗 以成功提取小差分信號(hào)。

在本文中，我們將介紹一種常用的儀表放大器，通常稱為三運(yùn)放大器儀表放大器。我們將看到，三運(yùn)放儀表放大器采用具有幾個(gè)有趣功能的巧妙架構(gòu)。

經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器

圖1所示的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)是一種常用的儀表放大器電路，可提供高CMRR和平衡、高輸入阻抗。

圖1

上面的示意圖可以分解為兩部分。輸入級(jí)主要用作緩沖器。輸出級(jí)為 上一篇文章中討論的差動(dòng)放大器.正如我們將在下面看到的，三運(yùn)放儀表放大器采用了具有幾個(gè)有趣功能的巧妙架構(gòu)。

高平衡輸入阻抗

節(jié)點(diǎn)A和B都連接到相應(yīng)運(yùn)算放大器的同相輸入端。這提供了高、平衡的輸入阻抗，而無(wú)需訴諸復(fù)雜的反饋技術(shù)。

輸入級(jí)可提供高差分增益和共模抑制比

讓我們首先計(jì)算輸入級(jí)的微分增益。負(fù)反饋連同運(yùn)算放大器的高增益將迫使 A 1和 A 2的反相和非反相輸入具有相同的電壓。因此，我們有：

通過(guò) R G并因此通過(guò) R 5和 R 6 的電流將為：

因此，當(dāng) R 5 =R 6時(shí)，差分放大器輸入端的電壓差將為：

這簡(jiǎn)化為

我們知道差動(dòng)放大器的增益為：

因此，我們有：

因此，電路的總差模增益為：

公式1顯示輸入級(jí)的差分增益AD1，可以通過(guò)選擇 R 的值進(jìn)行調(diào)整5 和 RG.例如，圖 1 和 R 中的典型值5=50 kΩ， AD1 將是：

輸入級(jí)的共模增益是多少？基于以上分析，v一個(gè)=vB、R 兩端的電壓G 將為零。因此，沒(méi)有電流會(huì)流過(guò)R5/ 1G和 R6;我們有：

總而言之，輸入級(jí)可以給我們很大的差分增益，同時(shí)以單位增益?zhèn)鬟f共模信號(hào)。這導(dǎo)致輸入級(jí)的CMRR相對(duì)較高。接下來(lái)，差動(dòng)放大器將進(jìn)一步抑制該殘余共模信號(hào)。輸入級(jí)的一個(gè)有趣特性是，增加差分增益也會(huì)增加CMRR。

通過(guò)設(shè)置單個(gè)電阻的值來(lái)調(diào)節(jié)增益

從公式1可以看出，我們可以通過(guò)調(diào)整單個(gè)電阻R的值來(lái)調(diào)整儀表放大器的差分增益。G.這很重要，因?yàn)榕c電路中的其他電阻不同，R 的值G 不需要與任何其他電阻器匹配。

例如，如果我們嘗試通過(guò)更改 R 的值來(lái)設(shè)置增益5，我們還需要更改 R6 因此。實(shí)現(xiàn)匹配的可調(diào)電阻比調(diào)整單個(gè)電阻更具挑戰(zhàn)性。

源電阻未出現(xiàn)在增益公式中

考慮下面圖2所示的橋梁測(cè)量系統(tǒng)。

圖2.

應(yīng)用戴維寧定理，我們可以對(duì)橋梁進(jìn)行建模，如圖 3 所示。

圖3.

在這里，RTh1 和 RTh2 是兩個(gè)橋分支的等效電阻;和 VTh1 和 VTh2 是節(jié)點(diǎn) A 和 B 的戴維寧等效電壓。此外，上圖通過(guò)R模擬放大器輸入端“看到”的阻抗在1和 Rin2.

該模型表明，分壓器是由放大器的輸入阻抗和電橋的等效電阻產(chǎn)生的。該分壓器確定放大器輸入端出現(xiàn)的電壓。因此，對(duì)于輸入阻抗相對(duì)較小的增益級(jí)（如差動(dòng)放大器），總增益將是R的函數(shù)。Th1 和 RTh2.這會(huì)導(dǎo)致增益可預(yù)測(cè)性差并降低精度。

但是，三運(yùn)放儀表放大器在其輸入端提供非常高的阻抗。因此，電橋的戴維寧等效電壓出現(xiàn)在放大器輸入端，而不會(huì)被分壓器衰減。由于源電阻不會(huì)出現(xiàn)在增益方程中，因此我們獲得了更可預(yù)測(cè)的增益和更高的精度。

減小共模電壓范圍

三運(yùn)放儀表放大器的一個(gè)限制是，如果我們?cè)噲D在輸入級(jí)實(shí)現(xiàn)非常高的差分增益，則輸入共模范圍可能會(huì)受到限制。

如圖4所示，當(dāng)差模信號(hào)為vd 在 V 共模電壓下運(yùn)行c 施加到輸入，節(jié)點(diǎn) n 處的電壓3 和 n4 將分別為 （v_c-A_{d1}frac{vd}{2}） 和 （v_c+A_{d1}frac{vd}{2}）。在這里，一個(gè)D1 是上述公式2給出的輸入級(jí)的差分增益。在c?一個(gè)d1在d2vc?Ad1vd2 和 在c+一個(gè)d1在d2vc+Ad1vd2分別。在這里，一個(gè)

圖4

與 vd=10 mV 和 AD1=1000，節(jié)點(diǎn)n處的電壓4 將為 vc+5V.該電壓應(yīng)在輸出放大器的共模范圍內(nèi)，A3，所以它不會(huì)飽和。如您所見，根據(jù)輸入級(jí)的差模增益，我們需要設(shè)置輸入共模電壓v的上限c.

結(jié)論

三運(yùn)放儀表放大器是一種常用的結(jié)構(gòu)，可以放大差分信號(hào)，同時(shí)剝離任何共模電壓。該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不需要與電路中任何其他電阻匹配的單個(gè)電阻決定了增益。這使我們能夠更輕松地調(diào)整電路增益。此外，對(duì)于三運(yùn)放大器儀表放大器，源阻抗在增益計(jì)算中不起作用。

這些優(yōu)勢(shì)是以額外的信號(hào)延遲和減小共模電壓范圍為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。