儀表放大器

儀表放大器應(yīng)用工程師指南（第三版）

儀表放大器應(yīng)用工程師指南

第一章儀表放大器的基本原理

前言

儀表放大器有時被錯誤地理解。并非所有用于儀器儀表的放大器都是儀表放大

器，而且儀表放大器決不只用于儀器儀表。儀表放大器用于從電機控制到數(shù)據(jù)采集

以及汽車系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。本書的目的是闡述什么是儀表放大器，它的工作原理怎

樣，如何使用它以及在何處使用它等基本問題。另外，本書還介紹了幾種不同類型

的儀表放大器。

儀表放大器與運算放大器的區(qū)別是什么,

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

9多數(shù)情況下，儀表抗日小故事 放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值為

10或更大。其輸入偏置電流也很低，典型值為1nA至50nA。與運算放大器一

樣，儀表放大器輸出阻抗也很低，在低頻段通常僅有幾毫歐。

運算放大器的閉環(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。

與運算放大器不同的是，儀表放大器使用一個與信號輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)

絡(luò)。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。

圖1-1所示的是一個電橋前置放大電路，即為一種典型的儀表放大器應(yīng)用。當(dāng)

檢測信號時，電橋電阻阻值改變，使電橋失去平衡并且在電橋兩端產(chǎn)生一個差分的

電壓變化。該電橋的信號輸出就是這種差分電壓，且其直接連接到儀表放大器的輸

入端。此外，恒定的直流電壓也施加到電橋的兩輸入端。這種直流電壓通常在兩輸

入端是相等的或是共模的。儀表放大器的主要作用通常是抑制共模直流電壓或?qū)?/p>

兩輸入端共模的任何其它電壓，同時放大差分信號電壓，即兩輸入端之間的電壓

差。

相反，如果若在該類應(yīng)用中采用標準的運算放大器，那么它只會對信號電壓和

任何直流信號、噪聲或其它共模電壓進行簡單放大。因此，信號會淹沒在直流失調(diào)

電壓與噪聲之中。正因為如此，即使最好的運算放大器也不能有效地提取微弱的信

號。圖1-2對比了運算放大器和儀表放大器月的英文縮寫 輸入特征之間的差別。信號放大與共

模抑制(CMR)

儀表放大器是一種放大兩輸入信號電壓之差而抑制對兩輸入端共模的任何信號

的器件。因此，儀表放大器在從傳感器和其它信號源提取微弱信號時提供非常重要

的功能。

共模抑制(CMR)是指抵消任何共模信號(兩輸入端電位相同)同時放大差模信號

(兩輸入端的電位差)的特性，這是儀表放大器所提供的最重要的功能。直流和交流

的共模抑制比都是儀表放大器的重要技術(shù)指標。使用現(xiàn)代任何質(zhì)量合格的儀表放大

器都能將由于直流共模電壓(即出現(xiàn)在兩輸入端的直流電壓)產(chǎn)生的任何誤差減小

80dB至120dB。

然而，如果交流共模抑制不夠大會產(chǎn)生很大的時變誤差。因為它通常隨著頻率

產(chǎn)生很大變化，所以要在儀表放大器的輸出端消除它是困難的。幸好大多數(shù)現(xiàn)代單

片集成電路(IC)儀表放大器提供了優(yōu)良的交流和直流共模抑制。

共模增益(A)是指輸出電壓變化與共模輸入電壓變化之比，它與共模抑CM

制比有關(guān)。A是兩個輸入端施加共模電壓時從輸入到輸出的凈增益(衰減)。CM

例如，當(dāng)一個共模增益為1/1000的儀表放大器的輸入有10V的共模電壓時，

它的輸出會產(chǎn)生10mV的變化。差模增益或常模增益(A)是指兩個輸入端施加(或D

跨接)差分電壓時輸入與輸出之間的電壓增益。共模抑制比(CMRR)是指差模增

益與共蘑菇的營養(yǎng) 模增益之比。請注意在理想的儀表放大器中，共模抑制比將成比例地隨增益

而增加。

CMR通常是在給定頻率和規(guī)定不平衡源阻抗條件下(例如，60Hz，1k不平衡

源阻抗)對滿度范圍共模電壓(CMV)的變化規(guī)定的。

數(shù)學(xué)上，CMRR可用下式表達:

VCM()CMRRA,DVOUT

其中，A是放大器的差模增益，V是呈現(xiàn)在放大器輸入端的共模電壓，DCM

V是共模電壓施加于放大器時呈現(xiàn)的輸出電壓。OUT

CMR是CMRR的對數(shù)表達形式，即:CMR=20LogCMRR10

為了使儀表放大器有效工作，要求它既能放大微伏(V)級信號，同時又能抑

制輸入端的共模壓。這對于儀表放大器在有用帶寬內(nèi)能夠抑制共模信號來說是特別

重要的。這就要求儀表放大器在有用的主要頻率及其諧波范圍內(nèi)具有非常高的

CMR。

對于如何降低由于頻帶外的信號可能產(chǎn)生的直流輸出失調(diào)誤差的方法，請參考

本書的有關(guān)RFI章節(jié)。水滸傳推薦理由

在單位增益時，典型的DCCMR值為70dB至100dB以上;在高增益時，通常CMR

得到改善。雖然接成減法器方式的運算放大器確實也可提供CMR，但是用戶必須提

供精密匹配電阻(以提供足夠大的CMR)。另外，帶有預(yù)調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)的單片儀表放

大器應(yīng)用起來也非常方便。

運算放大器與儀表放大器的CMR比較

運算放大器、儀表放大器和差分放大器都可以提供CMR。然而，儀表放大器和

差分放大器適合用于抑制共模信號以便它們不在其放大器的輸出端出現(xiàn)。相反，

按照典型的反相或同相放大器方式工作的運算放大器處理共模信號，將其送至輸出

端，但是通常并不抑制它們。

圖1-3a所示是一個運算放大器，與其連接的輸入信號源疊加在一個共模電壓

之上。因為反饋是從外部施加在輸出與求和節(jié)點之間，所以迫使“,”輸入端的電

壓與“，”輸入端的電壓相同。所以該運算放大器的兩輸入端之間的電壓理想情況

下應(yīng)為0V。因此，對應(yīng)于0V差分輸入，該運算放大器的輸出端電壓必須等于V。

CM

雖然運算放大器也有CMR，但是共模電壓隨信號傳輸?shù)捷敵龆恕嶋H上，信號

被運算放大器的閉環(huán)增益放大，但共模電壓僅得到單位增益。這種在增益方面的差

異確實能按照信號電壓的百分比對共模電壓提供一些衰減，然而共模電壓仍會出現(xiàn)

在輸出端，并且它的輸出減小了放大器的有效輸出范圍。由于許多原因，出現(xiàn)在運

算放大器的輸出端的任何共模信號(直流或交流)都是非常不受歡迎的。

圖1-3b所示是一個由三個運放構(gòu)成的儀表放大器，工作在上述相同條件下。

請注意，像運算放器電路一樣，儀表放大器的輸入緩沖放大器以單位增益通過共模

信號。信號電壓分別被兩個緩沖器反向放大。來自兩個緩沖器的輸出信號連接到該

儀表放大器的減法器單元。在這里(通常以低增益或單位增益)放大差分信號，而衰

減(典型值為10000?1或以上)共模電壓。對比以上兩個電路，兩者都提供信號放大

(和緩沖)功能，但是由于儀表放大器的減法器單元的作用，儀表放大器抑制了共模

電壓。

圖1-3c所示是一個儀表放大器電橋電路。該儀表放大器有效地抑制了出現(xiàn)在

電橋兩個輸出端的直流共模電壓，同時放大了非常微弱的電橋信號電壓。另外，許

多現(xiàn)代儀表放大器提供高達80dB的CMR，并允許使用低成本、非穩(wěn)壓的直流電源

激勵電橋。相反，一種利用三只運算放大器和一些0.1%精度電阻器自己搭成的儀

表放大器，通常CMR只能達到48dB，因此需要一種經(jīng)過穩(wěn)壓的直流電源來激勵電

橋。

圖1-3d所示是一個差分(減法器)放大器，它用于監(jiān)測電池組中一節(jié)電池

共模電壓會很容易超過放大器的電源電壓。有些單片差分放的電壓。這里的直

流

大器(例如AD629)可以在高達?270V共模電壓條件下工作。

差分放大器

圖1-4所示是一個差分放大器的框圖。這種類型的IC是一種特殊用途的儀表

放大器，它通常由一個減法器放大器及其隨后的一個輸出緩沖器組成，輸出緩沖器

有可能也是一級增益。用于減法器的四只電阻器通常在IC內(nèi)部，所以它們能夠精

密匹配以達到高CMR。

許多差分放大器被設(shè)計運用于共模電壓和信號電壓可能很容易超過電源電

壓的應(yīng)用場合。這些差分放大器通常使用非常高阻值的輸入電阻來衰減信號電

壓和共模輸入電壓。

在何處使用儀表放大器和差分放大器,

數(shù)據(jù)采集

儀表放大器的主要用途是放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號。對壓力傳感器

或溫度傳感器信號的放大是常見的儀表放大器應(yīng)用。通常的電橋應(yīng)用包括使用負荷

傳感器的應(yīng)變力和重力測量以及使用電阻溫度檢測器(RTD)的溫度測量。醫(yī)用儀器

儀表放大器廣泛應(yīng)用于醫(yī)用設(shè)備，例如心電圖儀和腦電圖儀、血壓計以及除顫

器。

監(jiān)測和控制電子設(shè)備

差分放大器可用于監(jiān)測系統(tǒng)中的電壓和電流并且當(dāng)超過正常值后觸發(fā)報警系

統(tǒng)。由于差分放大器具有抑制高共模電壓的能力，因此它們經(jīng)常用于這類應(yīng)用。

軟件可編程方面的應(yīng)用

儀表放大器可用于具有軟件可編程電阻器的芯片以允許軟件控制硬件系統(tǒng)。

音頻方面的應(yīng)用

由于儀表放大器具有高CMR，所以有時將它們用于音頻方面(例如傳聲器前置放

大器)，用于提取噪聲環(huán)境中的微弱信號以及最大限度減小由于接地環(huán)路引起的失

調(diào)電壓和噪聲。請見表6-4ADI公司的音頻專用產(chǎn)品(第6-24三年級日記優(yōu)秀篇 頁)。高速信號調(diào)

理

由于當(dāng)今視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對速度和精度要求的提高，對寬帶儀表放大器的需

求不斷地增加，尤其是在要求進行失調(diào)修正和輸入緩沖的CCD成像設(shè)備領(lǐng)域。這個

領(lǐng)域通常采用雙修正采樣技術(shù)對CCD圖像進行失調(diào)修正。用兩個采樣保持放大器監(jiān)

測圖像和參考電平并把其信號電壓送入一個儀表放大器提供一個直流修正輸出。

視頻方面的應(yīng)用

在許多視頻和電纜射頻(RF)系統(tǒng)中都使用高速儀表放大器用來放大或處理高頻

信號。

功率控制方面的應(yīng)用

儀表放大器還可以通過測量電動機的電壓、電流和三相交流電動機的相位關(guān)系

來監(jiān)控電動機(監(jiān)測和控制電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等)。差分放大器用于輸入信號電壓

超過電源電壓的場合。

儀表放大器的外部特性

圖1-5所示是儀表放大器的功能框圖。

由于理想的儀表放大器僅檢測兩輸入端的電壓差，所以任何共模信號(即對兩

個輸入端有相同電位)，例如噪聲和地線中的電壓降，都在輸入級被抑制，而不進

行放大。

可以利用內(nèi)部電阻或者外部電阻設(shè)置儀表放大器的增益。內(nèi)部電阻器最精確并

且提供最低的增益對溫度的漂移。

一種常用的方法是用一只外部電阻和兩只內(nèi)部電阻一起設(shè)置增益。用戶根據(jù)

儀表放大器產(chǎn)品技術(shù)資料中給出的增益公式能夠計算出對于一個給定增xiji 益所需

的電阻值。這允許在一個非常寬的范圍內(nèi)設(shè)置增益。然而，外教師學(xué)期工作計劃 部電阻很少能夠精確

到所要求增益的準確電阻值，并且它總是與IC內(nèi)部的電阻器有輕微的溫度上的差

異。這些實際限制總是產(chǎn)生附加的增益誤差和增益漂移的原因。

有時使用兩只外部電阻器設(shè)置增益。通常雙電阻器解決方案比單電阻器具有較

低的漂移，因為利用兩只電阻器阻值的比率設(shè)置增益，并且這兩只電阻器可以封裝

在一顆IC內(nèi)以便精密匹配和具有非常接近的溫度系數(shù)(TC)。相反地，一只外部電

阻器的TC總是與芯片內(nèi)電阻器的TC不匹配。

儀表放大器的輸出通常有它自己的參考端，包括其它用法，它允許儀表放大器

用來驅(qū)動一個可能配置在遠端的負載。

圖1-5示出輸入地和輸出公共端都被返回到同一電位，在本例中返回到電源

地。這種星形接地對減小電路中的接地環(huán)路是一種非常有效的方法;但是一些殘留

的共模地電流仍然會存在，這些電流流過RCM將產(chǎn)生共模電壓誤差V。儀CM表放

大器依靠高CMR特性放大差分信號的同時抑制V和任何共模噪聲。CM

當(dāng)然，必須對儀表放大器提供電源。像運算放大器一樣，通常采用雙電源對儀

表放大器供電，使其在規(guī)定范圍內(nèi)正常工作。另一方面，儀表放大器也可采用單電

源(滿電源擺幅)正常工作。

儀表放大器可以是用一個或多個運算放大器及一些電阻器構(gòu)成的分立式結(jié)構(gòu)，

也可以設(shè)計成單片式結(jié)構(gòu)，兩種方法各有優(yōu)缺點。

通常分立式結(jié)構(gòu)儀表放大器可以低成本提供設(shè)計靈活性，并且有時能提供單片

式結(jié)構(gòu)無法達到的性能，例如甚高頻帶。相反，單片式結(jié)構(gòu)提供了完整的儀表放大

器功能，完全達到規(guī)定的技術(shù)指標，并且通常出廠時經(jīng)過微調(diào)，通常其DC精度高

于分立式結(jié)構(gòu)。單片式儀表放大器還具有尺寸非常小、成本低并且簡單易用的優(yōu)

勢。

表征高品質(zhì)儀表放大器的其它特性是什么,

具有高共模抑制比的儀表放大器需要具備下述一些特性。高交流(和直流)共

模抑制

至少在需要抑制的輸入頻率范圍內(nèi)，儀表放大器的CMR應(yīng)該很高。這包括在輸

電線頻率及其二次諧波頻率范圍具有高CMR。

低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移

像運算放大器一樣，儀表放大器必須具有低失調(diào)電壓。由于儀表放大器由兩個

獨立的部分組成:輸入級和輸出級，因此總輸出失調(diào)等于輸入失調(diào)乘以增益加上輸

出放大器(儀表放大器內(nèi)部的)失調(diào)。輸入失調(diào)和輸出失調(diào)的典型值分別為1V/?

和10V/?。雖然初始失調(diào)電壓通過外部調(diào)整為零，但失調(diào)電壓漂移不能夠通過

調(diào)整來消除。像失調(diào)電壓一樣，儀表放大器的失調(diào)漂移也由兩部分組成，即輸入部

分和輸出部分，每一部分都對總誤差起作用。當(dāng)增益增加時，輸入級的失調(diào)成為主

要的失調(diào)誤差源。

匹配的高輸入阻抗-

儀表放大器的同相輸入端的和反相輸入端的阻抗必須很高而且相互之間緊密匹

配。為避免降低輸入信號源的帶載能力(也會下降輸入信號電壓)，儀表放大器的高

輸入阻抗是必須的。

912輸入阻抗的典型值為10至10。差分放大器(例如AD629)具有較低的

輸入阻抗，但是在高共模電壓的應(yīng)用方面非常有效。

低輸入偏置電流和低失調(diào)電流誤差

還像是運算放大器一樣，儀表放大器具有偏置電流流入和流出它的兩個輸入端:

對于雙極型輸入儀表放大器是基極電流;對于場效應(yīng)管(FET)輸入儀表放大器是柵極

漏電流。這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產(chǎn)生一個失調(diào)誤差。應(yīng)當(dāng)注意，

如果輸入源電阻無限大，例如用AC(電容)輸入耦合而沒有一個電阻性的路徑返回

到電源地，輸入共模電壓將上升直到放大器處于飽和狀態(tài)。為防止這一問題，通常

用一只高阻值的電阻把每個輸入端和地相連。用輸入偏置

章)。輸入失調(diào)電流誤電流乘以電阻的歐姆值后其典型值應(yīng)小于10mV(見第?

差被定義為流過兩個輸入端的偏置電流之間的失配程度。雙極型輸入儀表放大

器的偏置電流典型值為1nA至50nA;而FET輸入儀表放大器的偏置電流在室溫下的

典型值為1pA至50pA。

低噪聲

因為儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，所以它絕對不能把自身的噪

聲信號加到信號電壓上。在1kHz(增益大于100)的條件下，折合到輸入端(RTI)

10nV/Hz的最小輸入噪聲為是允許的。微功耗儀表放大器適合于盡可能最低的

輸入電流，通常比輸入電流較大的儀表放大器具有較高的噪聲。低非線性

輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差都能通過外部調(diào)整來修正，但是非線性是器件的固有

的性能限制，所以它不能由外部調(diào)整來消除。低非線性誤差必須由儀表放大器生產(chǎn)

廠家的結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證。非線性通常規(guī)定為在正滿度電壓與負滿度電壓及零電壓條

件下，廠家測量儀表放大器的誤差占滿度的百分數(shù)。對于一個高質(zhì)量的儀表放大器

典型的非線性誤差為0.01%，有的甚至低于0.0001%。增益選擇方便

增益選擇應(yīng)該很容易。通常采用一只外部增益電阻設(shè)置增益，但是外部電阻會

影響電路的精度并且增益隨溫度漂移。儀表放大器(例如AD621)提供一種通過引腳

選擇內(nèi)部預(yù)置增益的方法，并且具有非常低的TC。

充裕的帶寬

儀表放大器對于具體的應(yīng)用必須提供足夠的帶寬。因為典型的單位增益小信號

帶寬是在500kHz到4MHz之間，在低增益時帶寬容易達到，但是在較高增益時帶寬

會成為較大的問題。微功耗儀表放大器通常比標準的儀表放大器具有較低的帶寬，

因為微功耗儀表放大器輸入級的工作電流比標準儀表放大器小很多。