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一文看懂儀表放大器與運(yùn)算放大器的區(qū)別

發(fā)布時(shí)間:2018-06-04 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文首先介紹了儀表放大器與運(yùn)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(diǎn)及應(yīng)用,最后介紹了運(yùn)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(yùn)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(yīng)很低,典型值為 1 nA至 50 nA。與運(yùn)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(yùn)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(luò),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(yù)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(jià)格通常比較貴,于是我們就想能否用普通的運(yùn)放組成儀表放大器?答案是肯定的。使用三個普通運(yùn)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(dá)式如圖中所示。
 
看到這里大家可能會問上述表達(dá)式是如何導(dǎo)出的? 為何上述電路可以實(shí)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(shí)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(dāng)?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(dāng)電壓施加到一個輸入端而另一端接地時(shí),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(dāng)增益等于 1 時(shí),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(yùn)放的正負(fù)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(yùn)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(dá)式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益(A1 和 A2)時(shí),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(biāo)準(zhǔn)的三運(yùn)放儀表放大器電路是對帶緩沖減法器電路巧妙的改進(jìn)。像前面的電路一樣,上圖中A1 和A2 運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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?yàn)檩斎腚妷航?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(jìn)行調(diào)整。
 
這種連接有另外一個優(yōu)點(diǎn):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(shí)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(yùn)放結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用的解釋。
 
到這里,我們導(dǎo)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(yùn)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(fèi)很多的時(shí)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(jìn)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(jìn)行計(jì)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(shí)R2和R3的值有所減少;此時(shí)若?。海遥保剑遥矗剑担埃埃?Omega;,R2=R3=4999Ω,Vex=10V,那么可得:V1=5.001V V2=4.999V,實(shí)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(jìn)行計(jì)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(jì)算表明,在有大的共模信號時(shí),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(diǎn)及應(yīng)用
 
儀表放大器專門精密差分 電壓放大器,它源于運(yùn)算放大器,且優(yōu)于運(yùn)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(dú)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(diǎn),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(yùn)算放大器介紹
運(yùn)算放大器的工作原理
 
運(yùn)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(biāo)有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端),另一只標(biāo)有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)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(yùn)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(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性,靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途,總的來說,這些特性可以綜合為兩條:
 
1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。
 
2、運(yùn)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(yùn)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(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來應(yīng)該是無窮高的輸出電壓,但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)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(diǎn),運(yùn)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(yùn)算放大器的輸出端就會輸出一個與負(fù)電源電壓相同的電壓(如果運(yùn)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(yùn)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(fù)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(yùn)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(fù)反饋電路,電阻Rf也叫做負(fù)反饋電阻。
 
 
還有,由于運(yùn)算放大器的輸入為無窮大,所以運(yùn)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(yùn)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(rèn)為在運(yùn)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(diǎn)像用導(dǎo)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(yùn)算放大器基本電路
 
單電源工作的運(yùn)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(yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。



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