儀表放大器及應用

１　概述

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎部件（運算放大器）基本相同，它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數主要由反饋網絡決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它們通常不需要外部反饋網絡。

用分離元件構建儀表放大器(ＩＡ）需要花費很多的時間和精力，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，這里以圖１所示的惠斯通電橋變送器來進行說明，圖１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對“電橋”進行計算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

Ｖ２＝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Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實際上，人們所關心的信號是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對共模電壓（ＣＭＶ）進行計算可知：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。

　　上述計算表明，在有大的共模信號時，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。

２　誤差

早期比例計量是用檢流計實現的，它（不像ＩＡ）不受共模電壓的困擾。圖１僅是示意圖?沒有包括誤差源。實際應用系統的主要誤差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（見圖２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模電壓的存在而引起的放大器的輸入失調電壓的偏差，ＣＭＲ定義為ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?。在圖２所示的惠斯通電橋中，若要使誤差小于差分信號的１％，其ＣＭＲ應為：

　　ＣＭＶ＝５Ｖ?ΔＶ＝２ｍＶ，則Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

而要得到一個小于０．１％的誤差，則需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分離電路并進行嚴格調整可以獲得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要達到如此高的穩定性，還須采用線繞電阻，但線繞電阻的等效電感會導致ＣＭＲ的頻率特

[1] [2] [3] [4]