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常见设计问答之——仪表放大器

ADI_Amy 員工 在 2014-9-23 建立的討論區
最後回覆由ADI_Amy於2014-9-23提供

仪表放大器是精密增益模块,输入为差分式,输出可以是差分式,也可以是相对于参考端的单端式。这些器件能够放大两个输入信号电压之间的差值,同时抑制两个输入端共有的任何信号。仪表放大器广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗应用,这些应用要求在高噪声环境下保持直流精度和增益精度,而且其中存在大共模信号(通常为交流电力线频率)。

 

ADI公司为每一种应用和市场提供种类齐全的精密、低噪声、低功耗和高共模抑制比(CMRR)的仪表放大器,同时也提供了不少技术资料。这里分享一篇针对仪表放大器而提出的一些常见问答,希望对大家在今后的设计中有所帮助哦!

 

仪表放大器有什么作用? 

仪表放大器用来测量噪声环境中的弱  信号。由于噪声通常是共模的,而信  号应该是差分的,所以仪表放大器利  用其共模抑制(CMR)特性将有用信号  与噪声区分开。 

 

在仪表放大器应用中的信号源通  常具有几千欧姆(kΩ)甚至更大的输  出阻抗,因此仪表放大器应该具有非  常高的输入阻抗(通常能够达到数吉欧  姆)。仪表放大器的工作频率一般从直  流(DC)到大约1MHz之间。当频率超  过1MHz时,输入电容问题比输入电  阻更重要。通常使用差分放大器处理  高速应用,这样虽然提高了速度,但  却降低了输入阻抗。 

 

 

仪表放大器有那些主要技术指标? 

设计仪表放大器的工程师需要考虑的  主要性能指标包括:电源电流、-3dB  带宽、共模抑制比(CMRR)、输入失调电压和失调电压随温度的漂移以及  输入端的噪声和输入偏置电流。 

 

 

仪表放大器的内部原理如何?

大多数的仪表放大器是由三个运算放大器构成。 

 

这些运算放大器可分为两级:两  个运算放大器用作前置放大器,其后  跟随一个差分放大器(如图1a所示)。  前置放大器提供高输入阻抗、低噪  声和增益级。差分放大器抑制共模噪  声,并能提供必要的额外增益。

QQ截图20140923162315.png

图1:大多数仪表放大器使用三个运算放大器构成。其中一个放大器用作差分放大器,另两个运算放大器用作缓  冲放大器(a);用两只运算放大器构成的仪表放大器由于结构简化而牺牲性能(b)。

 

 

仪表放大器仅有三个运算放大器是不  是仪表放大器的唯一架构? 

其实不是,另一种仪表放大器架构是  采用两个运算放大器,它可节省元件  数量,但却存在两个缺点(见图1b):  1. 非对称的体系结构降低了CMRR,  尤其是在高频情况下;2. 仅用一级放  大使其增益受到限制。由于输出级的  误差影响到输入级,从而导致折合到  输入端的噪声和失调误差变大。

 

 

如何防止仪表放大器的输入端过压? 

设计工程师需要外部限流电阻器防止  太大的驱动电流在内部ESD箝位二极  管产生过压。限流电阻器的阻值取决  于仪表放大器的噪声水平、电源电压  和所需的过压保护。仪表放大器的使  用说明中给出了推荐值。 

 

由于限流电阻器增加了噪声,所  以另一种方法是使用外部大电流箝位  二极管,以大幅度减小阻值。不幸的  是,大多数普通二极管都具有很高的  泄漏电流,会在仪表放大器输出端产  生很大的失调误差;由于这种漏电流  与温度呈指数关系增加,所以设计工  程师在高阻抗信号源应用中不应使用  普通二极管。

 

 

什么是RFI滤波?它是如何工作的? 

传感器和仪表放大器之间很长的线路  会受到射频干扰(RFI)。仪表放大器  对RF整流之后会表现为DC输出失调  误差。图2显示的是一种在RF干扰到  达仪表放大器之前滤除RF干扰的解决  方案。元件R1a和C1a构成同相输入  端的低通滤波器,同样,元件R1b和  C1b构成反相输入端的低通滤波器。 

 

重要的是上述两个低通滤波器  的截止频率应该很好地匹配,否则会  将共模信号转换成差分信号。C2至  少是C1的10倍,高频时由于两输入  端“短路”,这个要求有点放宽。尽  管如此,C1a和C1b匹配仍然至关重  要。它们应该选用±5%的C0G薄膜  电容器。以上两种滤波器的差分带宽  为[1/2πR(2×C2+C1)],其共模带  宽为[1/(2πR1C1)]。

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图2:RFI滤波器有助于处理RF干扰。


 

在购买单片仪表放大器和用分立放大器构建仪表放大器之间如何平衡? 

使用分立的运算放大器构建一个仪表  放大器最主要的理由可能是您没有找  到您所需要的现成仪表放大器。现  在,由各个不同制造商提供的运算放  大器已有5,000多种,其中仪表放大  器大约有100种。 

 

如果您能找到满足您性能要求的  单片仪表放大器,那么您会认识到选  用现成的单片仪表放大器而不用自己  构建是合理的。这样,您不会浪费开  发时间,而且单片仪表放大器也能够  节省尺寸。 

 

另外,单片仪表放大器的CMRR  更高,而且利用片内的许多电阻器,  其内部寄生效应会比分立解决方案减  小很多。其它优点包括任何电流额定  值条件下的噪声和带宽指标在单片设  计中通常都会更好。

結果