仪表放大器的正确使用方法

beanxyy 发表于 2018-02-09 15:59:44 收藏 已收藏
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仪表放大器的正确使用方法

beanxyy 发表于 2018-02-09 15:59:44

随着电子技术的飞速发展,运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种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。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组件,具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定,而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号,其增益即可由内部预置,也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

下文介绍仪表放大器的正确使用方法。

阻容元件匹配

由於(IB1R1)-(IB2R2)=ΔVOS,R1和R2之间的任何不匹配都将引起输入失调不平衡(IB1-IB2),产生输入失调电压误差。一条有用的规则是保持IBR《10mV。

仪表放大器的正确使用方法

耦合仪表放大器输入推荐的阻容元件值

ADI公司仪表放大器的输入偏置电流根据其输入结构不同而变化很大。但是,大多数的最大输入偏置电流都在1.5nA和10nA之间。表1给出采用1%金属薄膜电阻器用於AC耦合的典型的阻容值以及每个输入的偏置电流值。

仪表放大器的正确使用方法

变压器耦合输入推荐的DC返回路径

输入接地返回的重要性

当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。下图示出这样一个电路。这里,输入偏置电流快速对电容器C1和C2充电直到仪表放大器的输出“极端”,达到电源电压或地电位。

仪表放大器的正确使用方法

每个输入端和地之间的高阻值电阻器提供一个有效的DC返回路程。解决上述问题的方法是在每个输入端和地之间添加一个高阻值电阻器(R1,R2)。输入偏置电流现在可以自由流入地并且不会像以前那样产生大输入失调。在过去的电子管电路中,产生类似的效应,需要在栅极(输入)和地之间使用一个栅极 漏电阻以放空积累的电荷(栅极上的电子)

单电源运算放大器电路的退耦

最后,单电源运算放大器电路需要偏置共模输入电压幅度以控制AC信号的正向摆幅和负向摆幅。当从电源电压利用分压器提供偏置电压时,为了保证PSR的性能就需要合适的退耦。

一种常用但不正确的方法是利用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器(加0.1μF旁路电容)提供VS/2给运算放大器的同相输入端。使用这样小的电容值对电源退耦通常是不够的,因为极点仅为32 Hz。电路出现不稳定(“低频振荡”),特别是在驱动感性负载时。

图(反相输入)和图(同相输入)示出了达到最佳退耦结果的VS/2偏置电路。在两种情况中,偏置电压加在同相输入端,反馈到反向输入端以保证相同的偏置电压,并且单位DC增益也要偏置相同的输出电压。耦合电容器C1使低频增益从BW3降到单位增益。

仪表放大器的正确使用方法

单电源同相输入放大器电路正确的电源退耦方案。中频增益=1+R2/R1

如上图所示,当采用100 kΩ/100 kΩ电阻分压器时一个好的经验是,为获得0.3 Hz的–3 dB截止频率,应当选用的C2最小为10 ΩF,。而100 μF(0.03 Hz)实际上对所有电路都足够了。

仪表放大器的正确使用方法

单电源反相输入放大器正确的退耦电路,中频增益= – R2/R1。

正确地提供仪表放大器的参考电压

一般假设仪表放大器的参考输入端为高阻抗,因为它是一个输入端。所以使设计工程师一般总想在仪表放大器的参考端引脚接入一个高阻抗源,例如一只电阻分压器。这在某些类型仪表放大器的使用中会产生严重误差(见下图)。

仪表放大器的正确使用方法

错误地使用一个简单的电阻分压器直接驱动3运放仪表放大器的参考电压引脚

例如,流行的仪表放大器设计配置使用上图所示的三运放结构。其信号总增益为:

仪表放大器的正确使用方法

参考电压输入端的增益为1(如果从低阻抗电压源输入)。但是,在上图所示的电路中,仪表放大器的参考输入端引脚直接与一个简单的分压器相连。这会改变减法器电路的对称性和分压器的分压比。这还会降低仪表放大器的共模抑制比及其增益精度。然而,如果接入R4, 那么该电阻的等效电阻会变小,减小的电阻值等于从分压器的两个并联支路看过去的阻值(50 kΩ),该电路表现为一个大小为电源电压一半的低阻抗电压源被加在原值R4上,减法器电路的精度保持不变。

如果仪表放大器采用封闭的单封装形式(一个IC),则不能使用这种方法。此外,还要考虑分压电阻器的温度系数应该与R4和减法器中的电阻器保持一致。最终,参考电压将不可调。另一方面,如果尝试减小分压电阻器的阻值使增加的电阻大小可忽略,这样会增大电源电流的消耗和电路的功耗。在任何情况下,这种笨拙的方法都不是好的设计方案。

下图示出了一个更好的解决方案,在分压器和仪表放大器参考电压输入端之间加一个低功耗运算放大器缓冲器。这会消除阻抗匹配和温度系数匹配的问题,而且很容易对参考电压进行调节。

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利用低输出阻抗运算放大器驱动仪表放大器的参考电压输入端

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