了解三運放儀表放大器

在本文中，我們將討論具有高共模抑制并提供高和相等輸入阻抗的儀表放大器（儀表放大器）。我們還將探討常用儀表放大器（通常稱為三運儀表放大器）的優(yōu)缺點。

在本系列的前幾篇文章中，我們討論了儀表放大器（儀表放大器）應具有 高共模抑制 以及 高阻抗和相等輸入阻抗 以成功提取小差分信號。

在本文中，我們將介紹一種常用的儀表放大器，通常稱為三運放大器儀表放大器。我們將看到，三運放儀表放大器采用具有幾個有趣功能的巧妙架構。

經典的三運放儀表放大器

圖1所示的三運放結構是一種常用的儀表放大器電路，可提供高CMRR和平衡、高輸入阻抗。

圖1

上面的示意圖可以分解為兩部分。輸入級主要用作緩沖器。輸出級為 上一篇文章中討論的差動放大器.正如我們將在下面看到的，三運放儀表放大器采用了具有幾個有趣功能的巧妙架構。

高平衡輸入阻抗

節(jié)點A和B都連接到相應運算放大器的同相輸入端。這提供了高、平衡的輸入阻抗，而無需訴諸復雜的反饋技術。

輸入級可提供高差分增益和共模抑制比

讓我們首先計算輸入級的微分增益。負反饋連同運算放大器的高增益將迫使 A 1和 A 2的反相和非反相輸入具有相同的電壓。因此，我們有：

通過 R G并因此通過 R 5和 R 6 的電流將為：

因此，當 R 5 =R 6時，差分放大器輸入端的電壓差將為：

這簡化為

我們知道差動放大器的增益為：

因此，我們有：

因此，電路的總差模增益為：

公式1顯示輸入級的差分增益AD1，可以通過選擇 R 的值進行調整5 和 RG.例如，圖 1 和 R 中的典型值5=50 kΩ， AD1 將是：

輸入級的共模增益是多少？基于以上分析，v一個=vB、R 兩端的電壓G 將為零。因此，沒有電流會流過R5/ 1G和 R6;我們有：

總而言之，輸入級可以給我們很大的差分增益，同時以單位增益?zhèn)鬟f共模信號。這導致輸入級的CMRR相對較高。接下來，差動放大器將進一步抑制該殘余共模信號。輸入級的一個有趣特性是，增加差分增益也會增加CMRR。

通過設置單個電阻的值來調節(jié)增益

從公式1可以看出，我們可以通過調整單個電阻R的值來調整儀表放大器的差分增益。G.這很重要，因為與電路中的其他電阻不同，R 的值G 不需要與任何其他電阻器匹配。

例如，如果我們嘗試通過更改 R 的值來設置增益5，我們還需要更改 R6 因此。實現(xiàn)匹配的可調電阻比調整單個電阻更具挑戰(zhàn)性。

源電阻未出現(xiàn)在增益公式中

考慮下面圖2所示的橋梁測量系統(tǒng)。

圖2.

應用戴維寧定理，我們可以對橋梁進行建模，如圖 3 所示。

圖3.

在這里，RTh1 和 RTh2 是兩個橋分支的等效電阻;和 VTh1 和 VTh2 是節(jié)點 A 和 B 的戴維寧等效電壓。此外，上圖通過R模擬放大器輸入端“看到”的阻抗在1和 Rin2.

該模型表明，分壓器是由放大器的輸入阻抗和電橋的等效電阻產生的。該分壓器確定放大器輸入端出現(xiàn)的電壓。因此，對于輸入阻抗相對較小的增益級（如差動放大器），總增益將是R的函數。Th1 和 RTh2.這會導致增益可預測性差并降低精度。

但是，三運放儀表放大器在其輸入端提供非常高的阻抗。因此，電橋的戴維寧等效電壓出現(xiàn)在放大器輸入端，而不會被分壓器衰減。由于源電阻不會出現(xiàn)在增益方程中，因此我們獲得了更可預測的增益和更高的精度。

減小共模電壓范圍

三運放儀表放大器的一個限制是，如果我們試圖在輸入級實現(xiàn)非常高的差分增益，則輸入共模范圍可能會受到限制。

如圖4所示，當差模信號為vd 在 V 共模電壓下運行c 施加到輸入，節(jié)點 n 處的電壓3 和 n4 將分別為 （v_c-A_{d1}frac{vd}{2}） 和 （v_c+A_{d1}frac{vd}{2}）。在這里，一個D1 是上述公式2給出的輸入級的差分增益。在c?一個d1在d2vc?Ad1vd2 和 在c+一個d1在d2vc+Ad1vd2分別。在這里，一個

圖4

與 vd=10 mV 和 AD1=1000，節(jié)點n處的電壓4 將為 vc+5V.該電壓應在輸出放大器的共模范圍內，A3，所以它不會飽和。如您所見，根據輸入級的差模增益，我們需要設置輸入共模電壓v的上限c.

結論

三運放儀表放大器是一種常用的結構，可以放大差分信號，同時剝離任何共模電壓。該電路的一個優(yōu)點是，不需要與電路中任何其他電阻匹配的單個電阻決定了增益。這使我們能夠更輕松地調整電路增益。此外，對于三運放大器儀表放大器，源阻抗在增益計算中不起作用。

這些優(yōu)勢是以額外的信號延遲和減小共模電壓范圍為代價實現(xiàn)的。