深入解析如何選擇儀表放大器

儀表放大器(又稱測(cè)量放大器)測(cè)量噪聲環(huán)境下的小信號(hào)。噪聲通常是共模噪聲，所以，當(dāng)信號(hào)是差分時(shí)，儀表放大器利用其共模抑制(CMR)將需要的信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)。

在這些應(yīng)用中，信號(hào)源的輸出阻抗常常達(dá)幾kΩ或更大，因此，儀表放大器的輸入阻抗非常大——通常達(dá)數(shù)GΩ，它工作在DC到約1MHz之間。在更高頻率處，輸入容抗的問(wèn)題比輸入阻抗更大。高速應(yīng)用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但輸入阻抗要低。

運(yùn)放的關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)計(jì)工程師確定放大器時(shí)，主要關(guān)心的是電源電流、–3dB帶寬、共模抑制比(CMRR)、輸入電壓補(bǔ)償和補(bǔ)償電壓溫漂、噪聲(指輸入)以及輸入偏置電流。

三運(yùn)放儀表放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

大多數(shù)儀表放大器采用3個(gè)運(yùn)算放大器排成兩級(jí)：一個(gè)由兩運(yùn)放組成的前置放大器，后面跟一個(gè)差分放大器(圖1a)。前置放大器提供高輸入阻抗、低噪聲和增益。差分放大器抑制共模噪聲，還能在需要時(shí)提供一定的附加增益。

圖1

二運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu)

可以采用具有兩個(gè)運(yùn)放的較少元器件的結(jié)構(gòu)替代(圖1b)，但有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)使CMRR較低，特別是高頻時(shí)。其次，由于第一級(jí)的增益量有限。輸出誤差反饋回輸入端，導(dǎo)致相對(duì)輸入的噪聲和補(bǔ)償誤差更大。

如何保護(hù)儀表放大器的輸入免受過(guò)電壓的影響?

設(shè)計(jì)師需要采用外部限流電阻來(lái)防止過(guò)電壓通過(guò)內(nèi)部靜電放電(ESD)箝位二極管驅(qū)動(dòng)過(guò)高的電流。這些電阻的值取決于儀表放大器的噪聲水平、電源電壓，以及需要的過(guò)壓保護(hù)，推薦值見器件的datasheet。

這些電阻增加了噪聲，所以一種可替代的方案是使用外部高電流箝位二極管和阻值非常小的電阻。遺憾的是，大多數(shù)普通二極管的漏電流太大，會(huì)產(chǎn)生大的輸出漂移誤差，該誤差隨溫度變化呈指數(shù)關(guān)系增加，所以設(shè)計(jì)師不應(yīng)該將標(biāo)準(zhǔn)二極管用于高阻抗信號(hào)源。

什么是RFI整流?如何預(yù)防?

傳感器與儀表放大器之間的長(zhǎng)引線會(huì)引起RF。儀表放大器隨之將此RF整流為DC偏移。圖2給出了一個(gè)方案，可在RF到達(dá)儀表放大器前就將其濾掉。元件R1a和C1a在同相端構(gòu)成一低通濾波器，R1b和C1b在反相端同樣構(gòu)成低通濾波器。

圖2

這兩個(gè)低通濾波器截止頻率的很好匹配很重要。否則，共模信號(hào)將會(huì)被轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。C2在高頻段將輸入“短路”，能在一定程度上降低這種要求，C2值的大小應(yīng)該至少為C1的10倍。

雖然如此，C1a和C1b的匹配仍很關(guān)鍵，應(yīng)該選用±5%C0G薄膜電容。該濾波器的差分帶寬為[1/2πR(2C2+C1)]，共模帶寬為[1/2πR1C1)]。

購(gòu)買單片放大器和用運(yùn)放構(gòu)建一個(gè)儀表放大器兩者的利弊是什么?

用分立運(yùn)放構(gòu)建一個(gè)儀表放大器的最主要理由是在市面上找不到所需要的儀表放大器。不同廠家生產(chǎn)的運(yùn)放有5000種以上的型號(hào)，而儀表放大器型號(hào)只有約100種。

但是，若能找到一款滿足性能要求的單片儀表放大器，那就用它，不要再自己構(gòu)建。這樣，會(huì)節(jié)省開發(fā)時(shí)間，并且單片部件的體積肯定小。

此外，CMRR性能會(huì)更好。由于多數(shù)電阻都在片上，板寄生效應(yīng)要小的多。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于任何額定電流，單片設(shè)計(jì)的噪聲和帶寬參數(shù)通常都更好。

三運(yùn)放測(cè)量(儀表)放大器內(nèi)部電路分析

在許多測(cè)試場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往很微弱，而且伴隨有很大的共模電壓(包括干擾電壓)，一般對(duì)這種信號(hào)需要采用測(cè)量放大器。

上圖是目前廣泛應(yīng)用的三運(yùn)放測(cè)量放大器電路。測(cè)量放大器電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)RG可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性。其中A1、A2為兩個(gè)性能一致(主要指輸入阻抗、共模抑制比和開環(huán)增益)的通用集成運(yùn)放，工作于同相放大方式，構(gòu)成平衡對(duì)稱的差動(dòng)放大輸入級(jí)，A3工作于差動(dòng)放大方式，用來(lái)進(jìn)一步抑制A1、A2的共模信號(hào)，并接成單端輸出方式適應(yīng)接地負(fù)載的需要。

該電路分析如下：

測(cè)量放大器的共模抑制比主要取決于輸入級(jí)運(yùn)放A1、A2的對(duì)稱性以及輸出級(jí)運(yùn)放A3的共模抑制比和輸出級(jí)外接電阻R3、R5及R4、R6的匹配精度(±0.1%以內(nèi))。一般其共模抑制比可達(dá)120dB以上。

此外，測(cè)量放大器電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)RG可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性。而且由于輸入級(jí)采用了對(duì)稱的同相放大器，輸入電阻可達(dá)數(shù)百兆歐以上。

目前，許多公司已開發(fā)出各種高質(zhì)量的單片集成測(cè)量放大器，通常只需外接電阻RG用于設(shè)定增益，外接元件少，使用靈活，能夠處理幾微伏到幾伏的電壓信號(hào)。