仪表放大器的特点和电路设计原理

仪表放大器的特点和电路设计原理

仪表放大器的特点

高共模抑制比　

共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d) 与共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR 典型值为70～100 dB 以上。

高输入阻抗　

要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为109～1012Ω.

低噪声　

由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1 kHz 条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10 nV/ Hz.

低线性误差　

输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0. 01 % ,有的甚至低于0. 0001 %.

低失调电压和失调电压漂移　

仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100μV 和2 mV.

低输入偏置电流和失调电流误差　

双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1 nA～50 pA ;而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50 pA.

充裕的带宽　

仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz～4 MHz 之间。

具有“检测”端和“参考”端　

仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降( IR) 的影响可减至最小。

单仪表放大器电路设计原理

仪表放大器是在三运放电路的基础上发展起来的,由场效应晶体管( FET) 或双极型输入的运算放大器构成。美国ADI 公司第1 个研制成功了单片集成仪表放大器。以AD620为例,其电路原理图如图1 所示。绝对值的校准使用户仅用一个电阻就能对增益进行校准,在G = 100 时准确度为0.15 %. 单片结构和激光晶片修整技术使电路中的元件紧密匹配, 并保证了该电路固有的高性能。该电路输入三级管Q1 和Q2 提供了高精度单差分增益前端, 通过Q1 -A1 - RL 环路和Q2 -A2 - R2 环路的反馈使输入元件Q1,Q2 的集电极电流恒定,由此使输入电压加至外接的增益设置电阻RG 上, 从而产生了一个从输入端到A 1/ A 2 输出端的差分增益, G = ( R1 + R2) / RG +1. 单位增益减法器A3 消除了任何共模信号,并产生一个相对于“参考”端电位的单端输出。RG 的值也决定前置放大级的跨导。为了提高增益,随着RG 值的减少,前置放大器的跨导逐渐增加到相应输入三级管的跨导。这有3 个好处:1) 随着设置增益的增加,开环增益也随之增加,从而降低了增益相对误差;2) 增益带宽(由C1 , C2 和前置放大器跨导决定) 随设置增益增加而增加, 从而优化了频率响应特性;3) 输入电压噪声降至9 nV/Hz ,该值主要由输入部分的集电极电流和基极电阻决定。AD620 的内部增益电阻( R1 和R2) 被精确校准到24. 7 kΩ, 从而使只用一个外接电阻来准确地设定增益。增益公式为G = (49. 4 kΩ/ RG) + 1

即RG = 49.4kΩ/(G - 1)。根据该公式设计者很容易计算出放大器增益电阻RG 的值。