一文看懂儀表放大器與運算放大器有何不同

本文首先介紹了儀表放大器與運算放大器的不同之處，其次介紹了儀表放大器的工作原理、特點及應用，最后介紹了運算放大器的工作原理及基本電路，具體的跟隨小編一起來了解一下。

儀表放大器與運算放大器有何不同

儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其輸入偏置電流也應很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。運算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡，它與其信號輸入端隔離 。對儀表放大器的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益既可由內(nèi)部預置，也可由用戶通過引腳連接一個內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離。

專用的儀表放大器價格通常比較貴，于是我們就想能否用普通的運放組成儀表放大器？答案是肯定的。使用三個普通運放就可以組成一個儀用放大器。電路如下圖所示：

輸出電壓表達式如圖中所示。

看到這里大家可能會問上述表達式是如何導出的？ 為何上述電路可以實現(xiàn)儀表放大器？下面我們就將探討這些問題。在此之前，我們先來看如下我們很熟悉的差分電路：

如果R1 = R3，R2 = R4，則VOUT = （VIN2—VIN1）（R2/R1）

這一電路提供了儀表放大器功能，即放大差分信號的同時抑制共模信號，但它也有些缺陷。首先，同相輸入端和反相輸入端阻抗相當?shù)投也幌嗟?。在這一例子中VIN1反相輸入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等于反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此，當電壓施加到一個輸入端而另一端接地時，差分電流將會根據(jù)輸入端接收的施加電壓而流入。（這種源阻抗的不平衡會降低電路的CMRR。）

另外，這一電路要求電阻對R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制。例如，當增益等于 1 時，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡將使CMR下降 6 dB。

為解決上述問題，我們在運放的正負輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

以上前置的兩個運放作為電壓跟隨器使用，我們現(xiàn)在改為同相放大器，電路如下所示：

輸出電壓表達式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益（A1 和 A2）時，它對差分信號增加相同的增益，也對共模信號增加相同的增益。也就是說，上述電路相對于原電路共模抑制比并沒有增加。

下面，要開始最巧妙的變化了！看電路先：

這種標準的三運放儀表放大器電路是對帶緩沖減法器電路巧妙的改進。像前面的電路一樣，上圖中A1 和A2 運算放大器緩沖輸入電壓。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，單個增益電阻器RG連接在兩個輸入緩沖器的求和點之間，取代了帶緩沖減法器電路的R6和R7。由于每個放大器求和點的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在RG兩端。因為輸入電壓經(jīng)過放大后（在A1 和A2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在R5，RG和R6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變RG進行調(diào)整。

這種連接有另外一個優(yōu)點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，則VOUT = （VIN2-VIN1）（1+2R5/RG）（R2/R1）由于RG兩端的電壓等于VIN，所以流過RG的電流等于VIN/RG，因此輸入信號將通過A1 和A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會在RG上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過RG（也就無電流流過R5和R6），放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按〔1+（2 RF/RG）〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了〔1+（2 RF/RG）〕倍！

在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益（由RG來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。

最后，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。上述這些特性便是這種三運放結(jié)構(gòu)得到廣泛應用的解釋。

到這里，我們導出了這個經(jīng)典電路的;來龍去脈： 差分放大器--》前置電壓跟隨器--》電壓跟隨器變?yōu)橥喾糯笃?-》三運放組成的儀用放大器。

儀表放大器介紹

儀表放大器工作原理

用分離元件構(gòu)建儀表放大器（ＩＡ）需要花費很多的時間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，這里以惠斯通電橋變送器來進行說明，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對“電橋”進行計算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ（Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ１）），Ｖ１＝５ＶＶ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ變送器輸出就是電橋兩個輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個激勵加在電橋的４個活動臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時若?。海遥保剑遥矗剑担埃埃宝?，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實際上，人們所關(guān)心的信號是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對共模電壓（ＣＭＶ）進行計算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２，／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

上述計算表明，在有大的共模信號時，測量一個微弱的電壓信號比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過測量兩個較大的電壓信號Ｖ２與Ｖ１來獲得，這兩個電壓均可在伏特級。

儀表放大器特點及應用

儀表放大器專門精密差分 電壓放大器，它源于運算放大器，且優(yōu)于運算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放 大器內(nèi)部，其獨特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、 低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號放大、高速 信號調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。

運算放大器介紹

運算放大器的工作原理

運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，如圖3-1所示，其中標有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端），另一只標有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負端，如果先后分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相，而與反相輸入端的信號反相。

運算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖3-1所示。運算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途，總的來說，這些特性可以綜合為兩條：

1、運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。

2、運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。

現(xiàn)在我們來簡單地看看由于上面的兩個特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。

首先，運算放大器的放大倍數(shù)為無窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應該是無窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準確地說，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點，運算放大器的輸出端就會輸出一個與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓（如果運算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零）。

其次，由于放大倍數(shù)為無窮大，所以不能將運算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端（稱為負反饋）來降低它的放大倍數(shù)。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號返回到運算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會減小電路的放大倍數(shù)，是一個負反饋電路，電阻Rf也叫做負反饋電阻。

還有，由于運算放大器的輸入為無窮大，所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻，那么加在這個電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據(jù)歐姆定律，電阻兩端就不會有電壓，所以我們又可以認為在運算放大器的兩個輸人端電壓是相同的（電壓在這種情況就有點像用導線將兩個輸入端短路，所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”）。

運算放大器基本電路

單電源工作的運放需要外部提供一個虛地，通常情況下，這個電壓是VCC/2，圖二的電路可以用來產(chǎn)生VCC/2的電壓，但是他會降低系統(tǒng)的低頻特性。

R1 和R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容C1 是一個低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應用中可以忽略緩沖運放。