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一文看懂仪表放大器与运算放大器的区别

发布时间:2018-06-04 责任编辑:lina

【导读】本文首先介绍了仪表放大器与运算放大器的不同之处,其次介绍了仪表放大器的工作原理、特点及应用,最后介绍了运算放大器的工作原理及基本电路,具体的跟随小编一起来了解一下。

仪表放大器与运算放大器有何不同

仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下,仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高,典型值≥109 Ω。其输入偏置电流也应很低,典型值为 1 nA至 50 nA。与运算放大器一样,其输出阻抗很低,在低频段通常仅有几毫欧(mΩ)。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与放大器不同的是,仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络,它与其信号输入端隔离 。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号,其增益既可由内部预置,也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置,该增益电阻器也与信号输入端隔离。
 
 
专用的仪表放大器价格通常比较贵,于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器?答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。电路如下图所示:
 
 
输出电压表达式如图中所示。
 
看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的? 为何上述电路可以实现仪表放大器?下面我们就将探讨这些问题。在此之前,我们先来看如下我们很熟悉的差分电路:
 
 
如果R1 = R3,R2 = R4,则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)
 
这一电路提供了仪表放大器功能,即放大差分信号的同时抑制共模信号,但它也有些缺陷。首先,同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ,而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍,即200 kΩ。因此,当电压施加到一个输入端而另一端接地时,差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。)
 
另外,这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密,否则,每个输入端的增益会有差异,直接影响共模抑制。例如,当增益等于 1 时,所有电阻值必须相等,在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 , 其CMR便 下 降 到 66 dB(2000:1)。同样,如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。
 
为解决上述问题,我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示:
 
 
以上前置的两个运放作为电压跟随器使用,我们现在改为同相放大器,电路如下所示:
 
 
输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益(A1 和 A2)时,它对差分信号增加相同的增益,也对共模信号增加相同的增益。也就是说,上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。
 
下面,要开始最巧妙的变化了!看电路先:
 
 
这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样,上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而,在这种结构中,单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间,取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压,因此,整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后(在A1 和A2的输出端)的差分电压呈现在R5,RG和R6这三只电阻上,所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。
 
这种连接有另外一个优点:一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后,在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 = R6,R1= R3和R2 = R4,则VOUT = (VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN,所以流过RG的电流等于VIN/RG,因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位,从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG(也就无电流流过R5和R6),放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此,共模信号将以单位增益通过输入缓冲器,而差分电压将按〔1+(2 RF/RG)〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1+(2 RF/RG)〕倍!
 
在理论上表明,用户可以得到所要求的前端增益(由RG来决定),而不增加共模增益和误差,即差分信号将按增益成比例增加,而共模误差则不然,所以比率〔增益(差分输入电压)/(共模误差电压)〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加,这是一个非常有用的特性。
 
最后,由于结构上的对称性,输入放大器的共模误差,如果它们跟踪,将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。
 
到这里,我们导出了这个经典电路的;来龙去脉: 差分放大器--》前置电压跟随器--》电压跟随器变为同相放大器--》三运放组成的仪用放大器。
 
仪表放大器介绍
仪表放大器工作原理
 
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,这里以惠斯通电桥变送器来进行说明,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=5VV2=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。
 
仪表放大器特点及应用
 
仪表放大器专门精密差分 电压放大器,它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放 大器内部,其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、 低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速 信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
 
运算放大器介绍
运算放大器的工作原理
 
运算放大器具有两个输入端和一个输出端,如图3-1所示,其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端),另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端,如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号,则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号:输出端输出的信号与同相输人端的信号同相,而与反相输入端的信号反相。
 
 
运算放大器所接的电源可以是单电源的,也可以是双电源的,如图3-1所示。运算放大器有一些非常有意思的特性,灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途,总的来说,这些特性可以综合为两条:
 
1、运算放大器的放大倍数为无穷大。
 
2、运算放大器的输入电阻为无穷大,输出电阻为零。
 
 
现在我们来简单地看看由于上面的两个特性可以得到一些什么样的结论。
 
首先,运算放大器的放大倍数为无穷大,所以只要它的输入端的输入电压不为零,输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压,但受到电源电压的限制。准确地说,如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高,哪怕只高极小的一点,运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之,如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高,运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源,则输出电压为零)。
 
其次,由于放大倍数为无穷大,所以不能将运算放大器直接用来做放大器用,必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。如图1-3中左图所示,R1的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端,由于反相输入端与输出的电压是相反的,所以会减小电路的放大倍数,是一个负反馈电路,电阻Rf也叫做负反馈电阻。
 
 
还有,由于运算放大器的输入为无穷大,所以运算放大器的输入端是没有电流输入的——它只接受电压。同样,如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻,那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的,没有电流,根据欧姆定律,电阻两端就不会有电压,所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的(电压在这种情况就有点像用导线将两个输入端短路,所以我们又将这种现象叫做“虚短”)。
 
运算放大器基本电路
 
单电源工作的运放需要外部提供一个虚地,通常情况下,这个电压是VCC/2,图二的电路可以用来产生VCC/2的电压,但是他会降低系统的低频特性。
 
 
R1 和R2 是等值的,通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择,电容C1 是一个低通滤波器,用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。



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