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仪表放大器及应用
caizhengsuo 发表于 2008/9/18 10:11:04 464 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。
１ 概述
仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。
用分离元件构建仪表放大器(ＩＡ）需要花费很多的时间和精力，而采用集成仪表放大器（ＩＡ）或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。为了更好的理解仪表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，这里以图１所示的惠斯通电桥变送器来进行说明，图１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激励电压（Ｖｅｘ）为１０Ｖ。这样，在空载条件下，对“电桥”进行计算可得：
Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ
Ｖ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ
所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ
变送器输出就是电桥两个输出端的电压差（ΔＶ）。假定有某个激励加在电桥的４个活动臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同时Ｒ２和Ｒ３的值有所减少；此时若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ Ｖ２＝４．９９９Ｖ，实际上，人们所关心的信号是：
ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通过对共模电压（ＣＭＶ）进行计算可知：即便电桥不平衡，共模电压（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。理想情况下，此电路的输出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。
上述计算表明，在有大的共模信号时，测量一个微弱的电压信号比较困难；而ΔＶ（以ｍＶ为单位）则可通过测量两个较大的电压信号Ｖ２与Ｖ１来获得，这两个电压均可在伏特级。
早期比例计量是用检流计实现的，它（不像ＩＡ）不受共模电压的困扰。图１仅是示意图没有包括误差源。实际应用系统的主要误差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（见图２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模电压的存在而引起的放大器的输入失调电压的偏差，ＣＭＲ定义为ＣＭＲ＝２０ｌｏｇＣＭＶ／ΔＶｏｓ。在图２所示的惠斯通电桥中，若要使误差小于差分信号的１％，其ＣＭＲ应为：
ＣＭＶ＝５ＶΔＶ＝２ｍＶ，则Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ
ＣＭＲ＝２０ｌｏｇＣＭＶ／ΔＶｏｓ＝１０８ｄＢ。
而要得到一个小于０．１％的误差，则需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分离电路并进行严格调整可以获得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要达到如此高的稳定性，还须采用线绕电阻，但线绕电阻的等效电感会导致ＣＭＲ的频率特性退化。电源抑制（ＰＳＲ）是指由于电源电压的变化而引起的放大器输入失调电压的偏差，ＰＳＲ的定义为：ＰＳＲ＝２０ｌｏｇΔＶｏｓ／ΔＶｓｕｐｐｌｙ。而Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ／Δｔｅｍｐ、Ｉｂ和Ｉｏｓ误差的处理方法与传统运算放大器相同，但必须考虑各种条件下的误差：包括温度范围、源电阻、电源调节、共模输入电压、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形应该参考数据手册中的最小值或最大值，有些情下，也可以使用典型值，因为在同一时刻不可能所有的参数都处于它们的极限值。
３ 仪表放大器的结构
３．１ 差分放大结构
ＭＡＸ４１９８和ＭＡＸ４１９９是精密、低功耗差分放大器，增益由工厂预置（见图３）。ＭＡＸ４１９８具有＋１Ｖ／Ｖ的增益，ＭＡＸ４１９９具有＋１０Ｖ／Ｖ的增益。虽然电阻器件精确匹配，但其绝对值的变化范围是±２５％。对于ＭＡＸ４１９８，同相输入阻抗典型值是５０ｋΩ，反相输入阻抗典型值是２５ｋΩ。对于ＭＡＸ４１９９，同相输入阻抗典型值是２７５ｋΩ， 反相输入阻抗典型值是２５ｋΩ。内部运算放大器的共模输入电压范围为ＶＥＥ～（Ｖｃｃ－１．１Ｖ）。内部运放的输入不具备满摆幅特性，但ＭＡＸ４１９８的内置电阻为一个分压器，它使得输入共模电压范围可超出电源摆幅。当ＶＣＣ为５Ｖ时，ＭＡＸ４１９８的输入范围可超出电源摆幅１００ｍＶ，而且不会造成共模抑制比性能的下降或输出与输入的相位反转。而ＭＡＸ４１９９输入共模电压范围可扩展到负电源电压以下的１００ｍＶ～（Ｖｃｃ－１Ｖ）。当Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４时，标准差分放大器的简化方程是Ｖｏ＝Ｖｂ－Ｖａ；因此，四个电阻值的任何不匹配都会导致ＣＭＲ的下降。
虽然分离差分放大电路已被广泛使用，但它还有以下主要缺陷：
●输入电阻等于Ｒ１，相对较小；
●输入电阻通常存在较大差异；
●电阻一定要非常精确地匹配才能得到可接受的共模抑制比；
●较高频率时输入阻抗的差异可使ＣＭＲ下降；
●信号源阻抗对ＣＭＲ影响较大。