儀表放大器工作原理及其新型應(yīng)用

華北電力大學(xué)電力工程系 於慧敏

1.儀表放大器的原理及特點(diǎn)

1.1 儀表放大器的原理

儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得共模抑制比得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在共模抑制比要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)，儀表放大器典型結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 儀表放大器的特點(diǎn)

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差等特點(diǎn)。

2.儀表放大器應(yīng)用

2.1 一般應(yīng)用

依據(jù)儀表放大器的功能和特點(diǎn)，其一般應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、信號放大、信號調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面。

2.2 典型應(yīng)用

2.2.1 高邊監(jiān)視器

最簡單的高邊監(jiān)視器通常需要一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一些精密電阻，常見的高邊測量都采用經(jīng)典的差分放大器（用作增益放大和高邊到地的電平轉(zhuǎn)換）。雖然很多應(yīng)用中也會使用分離電路，但其輸入阻抗較低，而且電阻之間有較大差異。電阻的匹配必須非常精確才能獲得可接受的共模抑制比，任一個(gè)電阻值存在0.01%的偏差都將使CMRR降低到86dB；如果偏差為0.1%，將使CMRR降低到66dB；而1%的偏差將使CMRR降低到46dB。選擇儀表放大器結(jié)構(gòu)時(shí)，有一個(gè)需要特別關(guān)注的參數(shù)，即在放大器任何輸出擺幅下，輸入共模電壓的范圍均應(yīng)包括高邊電壓加上一個(gè)安全裕量。

2.2.2 應(yīng)力測量

三運(yùn)放拓?fù)涞恼嬲齼?yōu)勢是其能夠進(jìn)行真正的差分測量(很高的CMRR)，同時(shí)又有非常高的輸入阻抗，這些特點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用，特別是在信號源阻抗非常高的場合。

2.3 最新產(chǎn)品

2.3.1 ISL28617

2012年7月10日，全球高性能模擬混合信號半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)導(dǎo)廠商Intersil公司(納斯達(dá)克全球交易代碼：ISIL)推出一款新型40V低噪聲儀表放大器，這是業(yè)內(nèi)首款集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電平轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動器的精密放大器。

ISL28617包含一個(gè)差分輸出，可以很容易的連接到目前的高性能差分輸入高精度ADC。它提供了卓越的增益精度和增益溫度系數(shù)(在-40°C至125°C溫度范圍內(nèi))，共模抑制比（CMRR）在所有增益配置中均為業(yè)內(nèi)最高水平。ISL28617的噪聲密度測量值僅為8.6nV/√Hz(1kHz)和85nVrms(0.1Hz至10Hz)，同時(shí)可提供高增益和衰減，使之較于競爭對手儀表放大器脫穎而出(競爭對手的放大器通常僅限于增益配置)。ISL28617非常適用于儀表、工業(yè)、電機(jī)控制和醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。

圖1 儀表放大器典型結(jié)構(gòu)

2.3.2 特性和規(guī)格

(1)集成式差分輸出ADC驅(qū)動器，可簡化高性能24位儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(2)同時(shí)適合單和雙電源電壓工作的卓越解決方案。

(3)與競爭對手的放大器不同，可提供靈活數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所要求的高增益(10,000x)和衰減(0.1x)。

(4)低噪聲特征使之非常適用于對噪聲敏感的高增益應(yīng)用。

ISL28617是Intersil的精密、低噪聲信號鏈解決方案(包括ISL21090低噪聲電壓基準(zhǔn)源和ISL26134低噪聲24位delta-sigma ADC)的一部分。

此外，使用威世精密集團(tuán)的下一代Z-1大金屬箔技術(shù)FRSM芯片電阻器提供了具有針對不可測量噪聲的增益設(shè)置，同時(shí)在極端的熱度和環(huán)境壓力下保持卓越的增益精度。

[1]百度百科http://baike.baidu.com/view/2407781.htm.

[2]電子發(fā)燒友網(wǎng),2012.