运放19——三运放仪表放大器工作原理分析

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仪表放大器是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。
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随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

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; X9 @' f$ ^; Z5 R7 a特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开路增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。
; e. R$ A; S1 k% @" J( [$ {虽然仪表放大器在线路图上是一颗运算放大器；但实际上是由三颗运算放大器所组成（如图一所示）；仪表放大器分成两个部份，输入端的两个电压随耦器提供输入端(+,?)高输入阻抗，后级则是差动放大器，用来做两个输入端的差动放大；不过，通常第二级的差动放大器的增益会设计为1，也就是只做两个电压的相减运算。 而仪表放大器的增益由电阻>来决定。
2 n, Q  S# Y, V  ^- b最常用的仪表放大器电路如图所示。电路的增益为：

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最右边的放大器，电阻标记 和 是标准差动放大器线路，gain = ，而差动输入电阻=2*；左边两个放大器则是输入的缓冲；当被移除（开回路）时，两个缓冲级只是单位增益缓冲器；在这个状态之下，增益等于 而缓冲级提供高输入阻抗。缓冲器的增益可以增加因为放在负输入和接地之间的电流所产生的分流的负反馈。
而在两个反向输入放入一颗电阻的优点在于：增加缓冲级的差模增益，而使共模增益等于1。
如果单独存在时有同样的增益时，将会增加电路的共模互斥比（CMRR），会使得缓冲器可以处理更大的共模信号。 的另一个好处是，只用一颗电阻来提更增益，而不是一对，可以避免电阻匹配问题（虽然两个需要匹配的增益）
3 _7 d7 r% G. v5 s增益可以透过只改变的值，而改变放大器的增益不需要改变其他的电阻匹配。
) [6 ~4 ^4 t9 \, D3 z+ j& u/ l理想的仪表放大器的共模增益为零。在图中所示的电路，共模增益的值不匹配引起的同样编号电阻和两个输入运算放大器的共模增益不匹配。
( w9 F) X9 `% ]; N# A2 C在制作这个线路最困难的地方，是在优化运算放大器的输入共模性能时，需要取得非常接近的匹配电阻

/ U6 y  k+ [3 C/ I) h仪表放大器也可以是一个内置2个运算放大器，以节省成本和提高共模抑制比（CMRR），但增益必须高于2（六分贝）


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图1所示的三运放仪表放大器看似为一种简单的结构，因为它使用已经存在了几十年的基本运算放大器(op amp)来获得差动输入信号。运算放大器的输入失调电压误差不难理解。运算放大器开环增益的定义没有改变。运算放大器共模抑制(CMR)的简单方法自运算放大器时代之初就已经有了。那么，问题出在哪里呢？

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图1：三运放仪表放大器，其VCM为共模电压，而VDIFF为相同仪表放大器的差动输入。
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单运算放大器和仪表放大器的共享CMR方程式如下：




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本方程式中，G相当于系统增益，VCM为相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压，而VOUT为相对于变化VCM值的系统输出电压变化。

在CMR方面，运算放大器的内部活动很简单，其失调电压变化是唯一的问题。就仪表放大器而言，有两个影响器件CMR的因素。第一个也是最重要的因素是，涉及第三个放大器（图1，A3）电阻比率的平衡问题。例如，如果R1等于R3，R2等于R4，则理想状况下的三运放仪表放大器CMR为无穷大。然而，我们还是要回到现实世界中来，研究R1、R2、R3 和R4与仪表放大器CMR的关系。
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具体而言，将R1：R2同R3：R4匹配至关重要。结合A3，这4个电阻从A1和A2的输出减去并增益信号。电阻比之间的错配会在A3输出端形成误差。方程式2在这些电阻关系方面会形成CMR误差：
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" M# |3 U( U6 ?* Z/ V- @. e5 ?例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，则该0.1%错配会带来仪表放大器CMR的降低，从理想水平降至66dB级别。
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1 Y1 O4 s. Z! m( c% J根据方程式1，仪表放大器CMR随系统增益的增加而增加。这是一个非常好的特性。方程式1可能会激发仪表放大器设计人员确保有许多可用增益，但是这种方法存在一定的局限性。A1和A2开环增益误差和噪声。放大器的开环增益等于20log(ΔVOUT/ΔVOS)。随着A1和A2增益的增加，放大器开环增益失调误差也随之增加。A1和A2的输出振幅变化一般涵盖电源轨。仪表放大器增益更高的情况下，运算放大器的开环增益误差和噪声占主导。通过RSS公式，这些误差降低了更高增益下的仪表CMR。因此，您会看到仪表放大器的CMR性能值往往会在更高增益时达到最大值。

+ D5 L) u' N* S* G& F& {' i因此，从CMR角度来看，仪表放大器就像是一个在不同系统增益下器件各部分都诱发CMR误差的系统。当您对器件的内部原理进行研究时，它便不再如此神秘。您把各个部分都分开来，就会一目了然。

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仪表放大器的特点
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+ u  C: D. _4 ~4 ~; ~. Y● 高共模抑制比
* y# n: i' m8 J7 r  j4 L/ e7 F共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d) 与共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值为 70～100 dB 以上。
- }, k+ P+ ~! N' |● 高输入阻抗
要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为 10^9～10^12Ω.
● 低噪声
由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在 1 kHz 条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于 10 nV/ Hz.
● 低线性误差
9 ~  W9 d" A# x% w8 I输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0. 01 % ，有的甚至低于 0. 0001 %.
# p; X/ ]0 h9 c● 低失调电压和失调电压漂移
& w/ Y( F& v* f* t3 y仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为 100μV 和2 mV.
# L5 G: S! |, q% m. S● 低输入偏置电流和失调电流误差
双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA～50 pA ；而 FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50 pA.
. h- r% m) |; `● 充裕的带宽
仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz～4 MHz 之间。
● 具有“检测”端和“参考”端
* O1 q4 N9 v4 c# {仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降( IR) 的影响可减至最小。