一文知道運(yùn)算放大器和儀表放大器有哪些區(qū)別

儀表放大器這一術(shù)語經(jīng)常被誤用，它指的是器件的應(yīng)用，而非器件的架構(gòu)。在過去，任何被認(rèn)為精準(zhǔn)（即，實(shí)現(xiàn)某種輸入失調(diào)校正）的放大器都被視為“儀表放大器”，這是因?yàn)樗辉O(shè)計(jì)為用于測量系統(tǒng)。儀表放大器（即 INA）與運(yùn)算放大器（運(yùn)放）相關(guān)，因?yàn)槎呋谙嗤幕緲?gòu)件。但 INA 是專用器件，專為特殊功能設(shè)計(jì)，并非一個(gè)基本構(gòu)件。就這一點(diǎn)而言，儀表放大器不是運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兊挠猛静煌?/p>

就用途而言，INA與運(yùn)放之間最顯著的區(qū)別或許是前者缺少反饋回路。運(yùn)放可配置為執(zhí)行各種功能，包括反相增益、同相增益、電壓跟隨器、積分器、低通濾波器和高通濾波器等。在所有情況下，用戶都會(huì)提供從運(yùn)放的輸出到輸入的反饋回路，此反饋回路決定放大器電路的功能。這種靈活性使運(yùn)放得以廣泛用于各種應(yīng)用。另一方面，INA的反饋位于內(nèi)部，因此沒有到輸入引腳的外部反饋。INA的配置限制為1個(gè)或2個(gè)外部電阻，也可能限制為一個(gè)可編程寄存器，用于設(shè)置放大器的增益。

INA 專為差分增益和共模抑制功能而設(shè)計(jì)和使用。儀表放大器將放大反相輸入和同相輸入間的差值，同時(shí)抑制這兩個(gè)輸入的任何共用信號，從而使INA的輸出上不存在任何共模成分。增益（反相或同相）配置的運(yùn)放將以設(shè)定的閉環(huán)增益來放大輸入信號，但輸出上將一直存在共模信號。所關(guān)注信號與共模信號間的增益差會(huì)導(dǎo)致共模成分（以差分信號的百分比表示）減少，但運(yùn)放的輸出上仍存在共模成分，這將限制輸出的動(dòng)態(tài)范圍。

如上所述，INA用于在存在大量共模成分時(shí)提取小信號，但共模成分的形式可能多種多樣。當(dāng)使用采用惠斯通電橋配置（我們將稍后探討）的傳感器時(shí)，存在由兩個(gè)輸入共用的較大直流電壓。但是，干擾信號可具有多種形式；一個(gè)常見來源是來自電源線的50 Hz或60 Hz干擾，更不用說諧波了。這種時(shí)變誤差源通常還會(huì)隨頻率發(fā)生明顯波動(dòng)，從而使得在儀表放大器的輸出端進(jìn)行補(bǔ)償變得極其困難。由于存在這些變化，因此不僅要在直流下，還要在各種頻率下實(shí)現(xiàn)共模抑制。

差分放大器

人們的第一個(gè)問題可能是：“是否可通過簡單的運(yùn)放構(gòu)建儀表放大器？”我可以馬上回答你：“是的，可以”。但始終要做出權(quán)衡！人們首先想到的可能是簡單的差分放大器電路（圖1），有時(shí)稱為減法器。

圖 1：差分放大器電路

這是一個(gè)非常簡單的電路，可以提供差分增益并具有一定的共模抑制能力，這正是INA的本意所在。對于上文提到的權(quán)衡，此電路中有兩處。首先，我們來看一下輸入阻抗。輸入阻抗由電阻的值決定，其相對較低，大小約為100 k?。其次，輸入阻抗不匹配，這意味著流經(jīng)每個(gè)管腳的電流不同，從而導(dǎo)致共模抑制能力受到影響。這一簡單電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要電阻匹配。此電路的共模抑制比主要由電阻對內(nèi)部的匹配程度決定，而非由運(yùn)放本身決定。只要這些電阻對存在任何不匹配，都會(huì)降低共模抑制比。此差分放大器的共模抑制比可按如下公式計(jì)算：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率（分?jǐn)?shù)形式）

例如，假設(shè) R1 = R2 = R3 = R4（提供單位增益），電阻不匹配率為 1%。利用上述公式可得出：

如本例所示，可通過該簡單電路實(shí)現(xiàn)的性能極為有限。即使在手動(dòng)進(jìn)行電阻匹配時(shí)，也很難實(shí)現(xiàn)66 dB以上的共模抑制比。

此外，這并未考慮因溫度所致的波動(dòng)，不同電阻在溫度系數(shù)上的任何差異都將進(jìn)一步增大不匹配率，從而導(dǎo)致更差的共模抑制比?？紤]到所有這些因素和限制，單片差分放大器通常是性能相對較高的應(yīng)用的最佳解決方案。

從技術(shù)上說，之前討論的差分放大器電路不是儀表放大器，但對于某些需要高速和/或高共模電壓的應(yīng)用十分有用。對于高精度應(yīng)用而言，真正的儀表放大器通常才是最佳選擇?？衫脙煞N常見的電路來構(gòu)建儀表放大器，一種電路基于兩個(gè)放大器，另一種基于三個(gè)放大器。下面將詳細(xì)討論這兩種電路。請注意，這些基本電路可利用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放來構(gòu)建，但也是當(dāng)今提供的許多單片儀表放大器中使用的基本電路概念。

雙運(yùn)放INA

圖 2：雙運(yùn)放儀表放大器電路

圖2給出了基于兩個(gè)放大器的常見儀表放大器電路。在該電路中，總體增益通過一個(gè)標(biāo)注為“RG”的電阻來設(shè)置，如此可得：

這種電路架構(gòu)的限制之一是它不支持單位增益。盡管大多數(shù)儀表放大器用于提供增益（因此，要實(shí)現(xiàn)單位增益也不是難事），但某些應(yīng)用嚴(yán)格地將儀表放大器專用于共模抑制。因此，對于某些應(yīng)用，假設(shè)將INA用于單位增益配置也是合理的。雙運(yùn)放INA的另一個(gè)限制是輸入的共模范圍有限，尤其是在低增益下和使用單電源運(yùn)放時(shí)。請記住，圖2左側(cè)的放大器必定會(huì)將反相節(jié)點(diǎn)處的輸入信號放大1+R1/R2。因此，如果輸入信號的共模電壓過高，放大器將發(fā)生飽和（超出輸出裕量）。高增益下將有更多的放大器裕量，因此在其他所有條件一樣的情況下，電路可支持更寬的輸入信號共模范圍。

之前討論的差分放大器電路的限制之一是較低的輸入阻抗。從圖2中可以看出，雙運(yùn)放INA電路不存在此問題，因?yàn)閮蓚€(gè)差分輸入信號直接饋入放大器的輸入引腳，其阻抗通常為幾百萬歐姆。但是，由于輸入信號路徑不同，各差分輸入信號的延時(shí)也不同，這就導(dǎo)致不同頻率時(shí)的共模抑制比（儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)）較差。與差分放大器電路類似，直流下的共模抑制比同樣受電阻匹配率限制。

相對于分立式解決方案，基于這種雙運(yùn)放架構(gòu)的單片INA從本質(zhì)上來說將具有更好的電阻匹配和溫度跟蹤性能，因?yàn)榛诠璧碾娮杩赏ㄟ^微調(diào)來提供大約0.01%的匹配率。但雙運(yùn)放INA架構(gòu)仍有一些明確的限制，不改變電路架構(gòu)的情況下無法克服這些限制。

三運(yùn)放INA

第二個(gè)常見的INA電路基于三個(gè)運(yùn)算放大器，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，此電路的后半部分與之前討論的差分放大器完全相同。在電路的前端添加兩個(gè)運(yùn)算放大器緩沖器可提供較高且匹配良好的阻抗源。這有助于緩解與簡單差分電路有關(guān)的主要問題之一。末端的差分放大器可以抑制共模成分。

圖3：傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表電路

在該配置中，電路的增益通過標(biāo)注為RG的電阻的值來設(shè)置。現(xiàn)在看一下輸入級，輸入級包含兩個(gè)運(yùn)算放大器，無論前兩個(gè)放大器的差分增益（由RG設(shè)定）如何，所有共模信號均以單位增益為系數(shù)進(jìn)行放大。因此，無論增益如何，此電路均可提供較寬的共模范圍（受前兩個(gè)放大器的裕量限制）。與之前討論的雙運(yùn)放INA相比，這是一大優(yōu)勢。差分放大器隨后會(huì)消除任何共模成分。與之前討論過的架構(gòu)類似，共模抑制性能取決于電阻匹配率，如下所示：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率

由于共模成分始終伴隨單位增益這一事實(shí)，三運(yùn)放儀表放大器的共模抑制比將隨差分增益的大小成比例增大。

許多單片儀表放大器均基于這一電路概念。單片解決方案提供完美匹配的放大器，并且能夠使用微調(diào)電阻，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的共模抑制性能和較高的增益精度。近年來，單片儀表放大器對這一基本架構(gòu)進(jìn)行了額外的改進(jìn)。例如，電流模式拓?fù)錈o需高精度電阻匹配便可實(shí)現(xiàn)高共模抑制比。在任何情況下，使用運(yùn)算放大器和分立式元件的分立式解決方案通常都會(huì)提高成本并降低性能。

INA和運(yùn)放的參數(shù)

如前文所述，運(yùn)算放大器和儀表放大器是相關(guān)的，并且已闡明運(yùn)放可用于構(gòu)建INA。由于這種相似性，有一些參數(shù)通用于運(yùn)算放大器和儀表放大器。不過，由于INA的特定功能，也存在一些INA特有的參數(shù)。在測量應(yīng)用中，運(yùn)放和INA 之間通用的兩個(gè)重要參數(shù)是輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓/失調(diào)電壓漂移。

輸入偏置電流是流入放大器輸入、使輸入晶體管偏置所需的電流量。此電流的數(shù)量級高至數(shù)μA、低至數(shù)pA，主要取決于放大器輸入電路的架構(gòu)。當(dāng)高阻抗傳感器與放大器的輸入相連時(shí)，該參數(shù)極為重要。當(dāng)偏置電流流經(jīng)高阻抗時(shí)，阻抗兩端會(huì)產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致電壓誤差。無論電路包含運(yùn)算放大器還是儀表放大器，偏置電流均在電路的整個(gè)誤差預(yù)算中起到關(guān)鍵作用。

運(yùn)算放大器和儀表放大器通用的另一個(gè)重要放大器參數(shù)是輸入失調(diào)電壓。顧名思義，此參數(shù)反映了放大器反相輸入和同相輸入間的電壓差。該失調(diào)電壓取決于放大器的拓?fù)洌鋽?shù)量級為數(shù)微伏至數(shù)毫伏。與所有電氣元件相似，放大器的行為隨溫度變化。對于放大器的失調(diào)電壓更是如此。失調(diào)電壓是誤差的來源，由于失調(diào)隨溫度漂移，因此該誤差也與溫度相關(guān)。即使高精度放大器也將受溫度漂移的影響?？赏ㄟ^選擇低漂移放大器（例如，具有零漂移拓?fù)涞姆糯笃鳎┗蛘咄ㄟ^執(zhí)行周期性系統(tǒng)校準(zhǔn)來校準(zhǔn)失調(diào)和漂移的方式最大程度減少該誤差源。

由于儀表放大器的特殊性質(zhì)，存在一些在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊中通常無法找到的附加參數(shù)，包括增益誤差和非線性參數(shù)。增益誤差通常指定為最大百分比，表示與特定放大器的理想增益的最大偏差。電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值變化和溫度梯度均可導(dǎo)致增益誤差。非線性參數(shù)還說明了放大器的增益特性。將輸出與輸入進(jìn)行比較時(shí)，該參數(shù)用于定義與理想的直線傳遞函數(shù)的最大偏差。例如，如果儀表放大器的增益配置為10，則100 mV的直流輸入應(yīng)產(chǎn)生1V輸出。如果輸入高達(dá)500 mV，則輸出應(yīng)為5V。這兩點(diǎn)表示放大器的直線輸入與輸出傳遞函數(shù)。與該直線傳遞函數(shù)的任何偏差都將通過非線性參數(shù)指出。

應(yīng)用示例：惠斯通電橋

如前文所述，儀表放大器旨在提供差分增益及有效抑制共模信號。這些特性使得INA非常適合采用經(jīng)典惠斯通電橋配置的傳感器（例如應(yīng)變儀）。應(yīng)變儀應(yīng)用的惠斯通橋包含四個(gè)元件，這些元件呈菱形排列，菱形的每條邊均包含一個(gè)阻性元件（應(yīng)變儀或固定電阻）。隨后會(huì)在電橋上施加一個(gè)激勵(lì)電壓，并測量電橋中間部分兩側(cè)的輸出電壓。四分之一電橋僅包含一個(gè)可變電阻元件，即應(yīng)變儀。半橋有兩個(gè)可變電阻元件，全橋有全部四個(gè)可變電阻元件（這種情況下為應(yīng)變儀）。采用多個(gè)應(yīng)變儀的優(yōu)勢是能夠提高靈敏度。在其他所有條件一樣的情況下，半橋配置的靈敏度將為四分之一電橋的兩倍，而全橋的靈敏度為四分之一電橋的四倍。

圖4：使用惠斯通電橋的儀表放大器

在本示例中，惠斯通電橋由直流源激勵(lì)。假設(shè)VDD設(shè)置為5V，這會(huì)在電橋的中心分接處產(chǎn)生約2.5V的直流共模電壓。施加到應(yīng)變儀上的力將導(dǎo)致其各自的電阻發(fā)生變化，從而使中心分接處產(chǎn)生較小的電壓差。與共模電壓相比，該電壓變化非常小，通常為10 mV左右，因此需要對這一微小電壓差進(jìn)行放大。儀表放大器非常適合此任務(wù)，其不但能夠提供所需的放大系數(shù)，還能夠抑制相對較高的共模信號（以及兩個(gè)輸入信號共用的任何附加噪聲）。請記住，配置為簡單應(yīng)變儀的運(yùn)算放大器仍會(huì)將共模信號（單位增益）傳遞至輸出，從而縮小輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍。

結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，“儀表”這一術(shù)語可表示多種含義。在過去，此術(shù)語一直用于描述應(yīng)用，通常是正被測量或記錄的物理現(xiàn)象。因此，適合在此類應(yīng)用中使用的任何運(yùn)算放大器都稱為“儀表放大器”。令人困惑的事實(shí)是，實(shí)際的儀表放大器可利用運(yùn)算放大器來構(gòu)建。實(shí)際上，運(yùn)算放大器和儀表放大器是完全不同的器件，二者用于執(zhí)行不同的功能?？蓪x表放大器看作專用放大器，它專用于差分增益和共模抑制功能。正如在本文中所見，可以構(gòu)建實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的電路來執(zhí)行上述相同的功能。但是，在大多數(shù)情況下，單片儀表放大器將提供高很多的性能和可靠性。