雙運放儀表放大器基礎知識 - 全文

　　儀表放大器因其極好的性能和使用方便等優(yōu)點。廣泛應用在數(shù)據(jù)采集。醫(yī)用儀器。音頻電路。商速信號調節(jié)等領域。傳感器信號調理中也常采用儀表放大器的結構。它是- 一種閉環(huán)增益組件，具有一一對差分輸入和單端輸出。與運算放大器的不同點是。運算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，面儀表放大器則是由與輸入隔離的內部反饋電阻決定。

　　雙運儀表放大器基本配置

　　儀表放大器是基于運算放大器的，有兩種基本配置極為常見。第一種基于雙運算放大器，第二種則基于三運算放大器。圖1所示電路稱為雙運放儀表放大器。雙通道精密IC運算放大器在大多數(shù)情況下?lián)碛辛己闷ヅ?，例如QP297或QP284。電阻通常是同一芯片上的薄膜激光調整陣列。儀表放大器增益可利用外部電阻R輕松設置。無Rg時，增益是1+ R2/R1。實際應用中，R2/R1比值依據(jù)所需的最小儀表放大器增益來選擇。

　　雙運放儀表放大器的輸入阻抗本身較高，使得信號源阻抗可能較高且失衡。直流共模抑制性能受R1/R2與R1‘/R2’的匹配限制。如果四個電阻中有任何一個存在不匹配，直流共模抑制比限于下值：

　　請注意，電路凈CMR隨著儀表放大器工作增益增大而成比例提高，從而有效提升較高增益下的性能。

　　IC儀表放大器特別適合同時滿足增益設置電阻的比率匹配和溫度跟蹤需求。雖然在硅片上制造的薄膜電阻最高具有土20%的初始容差，生產過程中的激光調整可將電阻間比率誤差減小至0.01% （100ppm）。另外，薄膜電阻溫度系數(shù)之間的跟蹤本身較低，通常小于3ppm/C（0.0003%/C）。

　　使用雙電源時，V一般直接接地。在單電源應用中，V.通常連接至等于電源電壓一半的低阻抗電壓源。從Vg到節(jié)點“A”的增益為R1/R2，從節(jié)點“A”到輸出的增益為R2‘/R1’。假定比率匹配是理想的，則從V。請注意，Vk的源阻抗必須到輸出的增益等于單位增益。較低，否則CMR會降低。

　　雙運放儀表放大器的一個主要缺點是共模電壓輸入范圍必須相對于增益進行取舍。放大器A1必須將Vi 下的信號放大1+ R1/R2倍。如果R1》》 R2（圖1中的低增益示例），一旦V共模信號過高A1將發(fā)生飽和，結果消耗掉用于放大目標差分信號的A1“余量”。對于高增益（R1《《R2），節(jié)點“A”則有更多的余量，可提供更大的共模輸入電壓。

　　此配置的交流共模抑制性能一般較差，因為從V到V。的信號路徑具有額外的A1相移。此外，兩個放大器在不同閉環(huán)增益下（對應于不同帶寬） 工作。圖1所示的小調整電容“C”可稍微改善交流CMR。

　　不使用Rg時，低增益（G= 2）單電源雙運放儀表放大器配置結果如以上圖2所示。

　　輸入共模和差分信號值必須限制，以防止A1或A2發(fā)生飽和。本例中，運算放大器在供電軌的0.1V內保持線性，輸出上限和下限分別指定為V。。和VO。這些飽和電壓限值是單電源、軌到軌輸出運算放大器（例如AD822）的典型值。

　　使用圖2的公式，V1的電壓必須介于1.3 V至2.4 V之間，以防止A1發(fā)生飽和。請注意，Vref連接到Voh和Vol。的平均值（2.5 V）。這是為了提供雙極性差分輸入信號和以+2.5 V為參考的Vout。

　　以下圖3顯示高增益（G= 100）單電源雙運放儀表放大器配置。請注意，使用相同公式，VI的電壓現(xiàn)在可在0.124 V至4.876 V間擺動。Vgef仍為2.5 V，以提供雙極性輸入和輸出信號。

　　所有這些分析都顯示，采用單電源供電時，傳統(tǒng)的雙運放儀表放大器架構存在較大限制。一方面，該架構對給定增益下的容許輸入CM范圍造成限制。另一方面，它對給定CM輸入電壓下的容許增益范圍造成限制。

　　不過，還有許多情況下，增益和CM電壓的組合無法用圖1至3的基本雙運算放大器結構來支持，即使放大器是理想的（即兩個供電軌均有零輸出飽和電壓）。

　　總而言之，無論增益如何，常見的雙運放儀表放大器基本結構在采用單電源供電時無法提供OV的CM輸入電壓。消除這些單電源供電限制的唯一途徑是修改儀表放大器架構。

　　AD627單電源雙運放儀表放大器

? ? ? ? 通過對基本雙運放儀表放大器架構做一些關鍵修改，可以克服上述CM限制。以下圖4為AD627儀表放大器架構，其中顯示了這些在電路中實施的修改。

　　在此電路中，兩個運算放大器均由一個PNP共發(fā)射極輸入級和一個增益級構成，分別指定為Q1/A1和Q2/A2。PNP晶體管不僅提供增益，還可對輸入信號進行電平轉換，將其提高約0.5V，因此共模輸入電壓可到達負供電軌以下F0.1V。容許的最大正輸人電壓比正供電軌低1V。

　　AD627儀表放大器提供軌到軌輸出擺幅，且具有寬電源電壓范圍（+2.7V至+18V）。無外部增益設置電阻R。時，儀表放大器增益最小值為5。通過添加外部電阻，增益最高可達1000。使用1k2非均衡信號源、+3 V單電源且G= 5時，AD627B在60 HZ 下的共模抑制比為85 dB。

　　雖然AD627是雙運放儀表放大器，仍需注意，它沒有圖1所示基本電路的CM頻率響應限制。由于使用專利電路，AD627 CMR的平坦頻率遠遠高于傳統(tǒng)分立式雙運放儀表放大器可實現(xiàn)的水平。

　　AD627數(shù)據(jù)手冊詳細說明了容許輸入/輸出電壓范圍，其與增益和電源電壓成函數(shù)關系。交互式儀表放大器共模范圍/增益讓算器設讓工縣可以幫助用戶計算儀表放大器的基本共模范圍和增益。

　　AD627的主要規(guī)格特性如以下圖5所示。盡管是低功耗、單電源器件，AD627卻能夠采用傳統(tǒng)的較高電壓電源，例如土15V，而且性能出色。