仪表放大器及应用

１　概述

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。

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，这里以图１所示的惠斯通电桥变送器来进行说明，图１中，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＝５Ｖ

Ｖ２＝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。 （科教论文网 Lw.nsEAc.com编辑整理）

２　误差

早期比例计量是用检流计实现的，它（不像ＩＡ）不受共模电压的困扰。图１仅是示意图熋挥邪括误差源。实际应用系统的主要误差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（见图２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模电压的存在而引起的放大器的输入失调电压的偏差，ＣＭＲ定义为ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ煟茫停郑ΔＶｏｓ牎Ｔ谕迹菜示的惠斯通电桥中，若要使误差小于差分信号的１％，其ＣＭＲ应为：

　　ＣＭＶ＝５Ｖ煢ぃ郑剑玻恚郑则Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ煟茫停郑ΔＶｏｓ牐剑保埃福洌隆

而要得到一个小于０．１％的误差，则需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分离电路并进行严格调整可以获得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要达到如此高的稳定性，还须采用线绕电阻，但线绕电阻的等效电感会导致ＣＭＲ的频率特性退化。电源抑制（ＰＳＲ）是指由于电源电压的变化而引起的放大器输入失调电压的偏差，ＰＳＲ的定义为：ＰＳＲ＝２０ｌｏｇ煢ぃ郑铮螅ΔＶｓｕｐｐｌｙ牎６Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ／Δｔｅｍｐ、Ｉｂ和Ｉｏｓ误差的处理方法与传统运算放大器相同，但必须考虑各种条件下的误差：包括温度范围、源电阻、电源调节、共模输入电压、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形应该参考数据手册中的最小值或最大值，有些情况下，也可以使用典型值，因为在同一时刻不可能所有的参数都处于它们的极限值。