授權(quán)自：云深之無(wú)跡

這個(gè)應(yīng)用手冊(cè)在50多個(gè)儀表放大器的文檔中都有，說(shuō)明是一個(gè)共性的問(wèn)題，其次我也在做東西的過(guò)程中體會(huì)到了這一點(diǎn)，以及幾年前做東西失敗的原因。

這里展示了是典型的3運(yùn)放IA，前面綠色的地方就是共模電壓彌撒的地方，也就是說(shuō)共模干擾是以這樣的方式進(jìn)到IA里面的，只是后面的減法器才把共模干擾抑制。

是吧？一模一樣

第一級(jí)構(gòu)成一個(gè)可放大差分信號(hào)的高輸入阻抗電路，但會(huì)通過(guò)共模信號(hào)而不進(jìn)行放大。

（詳細(xì)原理請(qǐng)看《運(yùn)放秘籍》視頻教程第二部：儀表放大器專項(xiàng)）

該設(shè)計(jì)的第二級(jí)通常是一個(gè)差分放大器，在很大程度上去除共模信號(hào)，同時(shí)使輸出參考特定的基準(zhǔn)電壓。

總結(jié)一下：

三運(yùn)放結(jié)：高輸入阻抗 + 差分放大

可精確放大差分信號(hào)并抑制共模信號(hào)

需設(shè)置參考電壓（Ref）決定輸出電平的參考點(diǎn)

這篇文章說(shuō)的是應(yīng)用過(guò)程中：當(dāng)輸入端存在高直流電壓（如 3V）時(shí)，即使你只是想放大 100 mV 的交流信號(hào)，IA 仍會(huì)把 3V × 增益 放大，導(dǎo)致輸出飽和。

假設(shè) IA 具有 100 Hz 正弦波，在存在 5V 共模電壓和 3V 直流電壓的情況下，波幅為 100 mV。

所需輸出為±1V 信號(hào)。在這些工作狀態(tài)下時(shí)，儀表放大器必須配置 10V/V 的增益。

看到綠色的部分都滿了

雖然 IA 會(huì)抑制 5V 共模電壓，但 3V 直流電壓會(huì)與 VDiff 曲線所示的輸入差分電壓求和。增益為 10V/V 時(shí)，輸出信號(hào)對(duì)正電源軌飽和。盡管要放大的所需信號(hào)是 100 mV/100 Hz 正弦波，但 3V 直流電壓阻止儀表放大器輸出僅表示放大的交流信號(hào)。

大家會(huì)下意識(shí)的接個(gè)電容做耦合但是沒(méi)有為偏置電流提供返回路徑，結(jié)果是電容不斷被充電，最終導(dǎo)致輸出飽和，IA 工作異常。

讓我來(lái)分開(kāi)說(shuō)說(shuō)：

很多實(shí)際信號(hào)是微弱的交流信號(hào)（如：EEG、ECG、生物傳感、加速度、聲音等），但是信號(hào)上可能會(huì)疊加一個(gè)比較大的直流分量（比如傳感器電源引入的偏置電壓）。

輸入信號(hào) = 直流偏置 + 微弱交流信號(hào)

如果這個(gè)直流成分太大，儀表放大器在乘以增益后，很容易輸出電壓飽和（即輸出夾在電源軌附近），這會(huì)導(dǎo)致交流信號(hào)無(wú)法正確放大、甚至完全丟失。

在 IA 輸入端串聯(lián)電容器（見(jiàn)圖），形成一個(gè)高通濾波器，只允許交流成分通過(guò)，濾掉直流偏置。

這個(gè)高通濾波器由：

輸入串聯(lián)電容 C

以及后接對(duì)地電阻 R（提供偏置電流路徑） 共同構(gòu)成，其截止頻率為：

這個(gè)截止頻率需選得足夠低，以保留你感興趣的信號(hào)頻率。

去掉討厭的DC電壓以后會(huì)更加的性能好。

但是問(wèn)題就出在這里：如果只加電容，而沒(méi)有提供輸入偏置電流的返回路徑（電阻），儀表放大器會(huì)工作異常，輸出飽和（電容被輸入偏置電流充電）。

很多人認(rèn)為“加上電容就能隔離直流”，確實(shí)沒(méi)錯(cuò)，但問(wèn)題是——儀表放大器的輸入級(jí)運(yùn)放需要一個(gè)小的偏置電流（Ib）才能正常工作。

如果你在輸入端只加了一個(gè)電容，而電容另一端又懸空或沒(méi)有到地的直流路徑，電流無(wú)法流動(dòng)！

電容會(huì)被充電：

輸入Ib沒(méi)有地方去，只能“被迫”充入串聯(lián)的電容中；

隨著時(shí)間推移，電容電壓不斷升高；

最終，輸入端的電平變得非常高或非常低；

IA輸出電壓被“推”到電源軌，造成輸出飽和或漂移，甚至失效。

授權(quán)自：云深之無(wú)跡

IN+ 電平會(huì)慢慢上升或下降；輸出 Vout 也隨之漂移，最終飽和。

可以把這個(gè)電容理解成一個(gè)“桶”，而輸入偏置電流是“水龍頭”在滴水。如果桶底沒(méi)有洞（即沒(méi)有到地的通路），那水遲早會(huì)把桶灌滿——這時(shí)就“溢出”了，對(duì)應(yīng)于電路中：輸出電壓被推向飽和。

為每個(gè)輸入加一個(gè)“泄水口” —— 一個(gè)偏置電阻，通常接地或者接偏置電壓（如 1/2 Vcc）。

我們可以簡(jiǎn)單的給出一些計(jì)算公式

一般根據(jù)電源軌的不同，給出兩個(gè)解法

單電源 +15V，輸入偏置電阻接 Vbias = 7.5V，Vref 也接 7.5V

模擬“中點(diǎn)”，讓IA能有對(duì)稱的動(dòng)態(tài)范圍。

Vbias 是輸入信號(hào)路徑的直流偏置電壓，提供一個(gè)參考電平，使得 AC 耦合后的信號(hào)可以“懸浮”在一個(gè)中間電位而不是接地。

把交流信號(hào)比作一艘浮在水上的船。

如果沒(méi)有水（即偏置），船（信號(hào)）就“擱淺”了。

Vbias 就是那片“水”，讓船可以自由地浮動(dòng)并波動(dòng)。

和Vref的作用是不一樣的

Vbias 必須能灌/拉電流，因此不能用普通的 LDO 穩(wěn)壓器（只能輸出電流）

LDO（線性穩(wěn)壓器）只能“拉電流”（只能提供電流給負(fù)載，不能吸收）。

電阻的典型范圍：100 kΩ ～ 1 MΩ

電阻太小會(huì)拉低輸入阻抗；會(huì)給信號(hào)源造成負(fù)載效應(yīng)（降低測(cè)量精度）；與前級(jí)信號(hào)源阻抗形成分壓效應(yīng)。

偏置電流

誤差項(xiàng)，里面的子項(xiàng)都會(huì)影響結(jié)果

太難了

這也就是為什么老看見(jiàn)1M電阻的原因

若對(duì)失調(diào)誤差極度敏感，可考慮加第三個(gè)電阻并通過(guò)誤差對(duì)消降低誤差。

授權(quán)自：云深之無(wú)跡

最后在總結(jié)一下

TI的儀表放大器的型號(hào)很多，其實(shí)是不好選擇的

如果你看不懂這篇文章，證明你的基礎(chǔ)不勞。

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審核編輯 黃宇