仪表放大器是什么？具有哪些特点与优势？

仪表放大器(英语：instrumentation amplifier或称精密放大器简称INA)，差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量以及电子仪器上。特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。虽然仪表放大器在线路图上是一颗运算放大器;但实际上是由三颗运算放大器所组成;仪表放大器分成两个部分，输入端的两个电压跟随器提供输入端(+,−)高输入阻抗，后级则是差分放大器，用来做两个输入端的差分放大;不过，通常第二级的差分放大器的增益会设计为1，也就是只做两个电压的相减运算。

仪表放大器是差分放大器的改进型 ，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，适用于测量和电子仪器。特性包括非常低的直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比和高输入阻抗，仪表放大器用于需要非常高的精度和稳定性的电路中。

主要用于放大小差分信号，仪表放大器提供最重要的共模抑制 (CMR) 功能。它消除了在两个输入上具有相同电位的任何信号。输入之间具有电位差的信号被放大。

仪表放大器 (In-Amp) 用于低频信号 (<1 MHz) 以提供大量增益。它放大输入信号，抑制输入信号中存在的共模噪声。

目前的仪表放大器，大多被许多制造商(包括德州仪器，国家半导体，美国模拟器件公司，凌力尔特和Maxim Integrated Products)作成IC形式，不但可以降低电阻阻抗匹配的问题，而且使用上也很方便，线路面积也相对的缩小，例如AD620,MAX4194,LT1167andINA128.仪表放大器也可以使用“间接电流反馈结构”，从而延长这些放大器的工作范围负电源端，或在某些情况下，只使用正电源轨设计。在负电源端接地的单电源系统中特别有用，利用这种架构的元件有MAX4208/MAX4209和AD8129/AD8130。无反馈的仪表放大器(Feedback-free instrumentation amplifier)是没有外部反馈网络设计的高输入阻抗的差分放大器。这使得放大器的数量减少(而不是三个)，降低噪音(没有热噪声所带来的反馈电阻)和更高的带宽(没有频率补偿)。这样设计的放大器请参考这里。斩波稳定(或零漂)仪表放大器如LTC2053使用开关输入前端，以消除直流偏移误差和漂移。

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。

本文首先介绍了仪表放大器的原理及特点，其次介绍了仪表放大器的优势，最后介绍了仪表放大器典型应用及实例。

仪表放大器的原理

仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1， A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得共模抑制比得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在共模抑制比要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4， Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2， R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为： Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。 由公式可见， 电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现，仪表放大器典型结构见图1。

仪表放大器的特点

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器， 它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差等特点。

仪表放大器的优势

1、高共模抑制比

仪表放大器具有能够消除任何共模信号(两输入端电位相同)而放大差模信号(两输入端电位不同)的特性。为了使仪表放大器能正常工作， 要求它既能放大微伏级差模信号， 同时又能抑制几伏的共模信号， 实现这种功能的仪表放大器必须具有很高的共模抑制能力。共模抑制比的典型值为70- 100dB.通常， 在高增益时， CMRR 的性能会得到改善， 即高增益时CMRR 较高， 低增益时较低。

2、较小的线性误差

输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正， 而线性误差则是器件的固有缺陷， 不能用外部调整来消除。因此， 仪表放大器线性误差小的特点， 是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的。对于一个高性能的仪表放大器来说，线性误差为0.01%， 有的甚至能达到0.0001%.

3、高输入阻抗

在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡， 为了能很好的匹配， 仪表放大器的输入阻抗不但很高， 而且还具有良好的匹配性能。输入阻抗的典型值为109- 1012欧姆。

4、低噪声

仪表放大器经常被用在恶劣的环境中， 完成较弱信号的拾取和预处理， 所以要求它必须是低噪声器件， 信噪比太低就不能工作。在正常情况下， 当输入信号的频率为1kHZ时， 折合到仪表放大器输入端的噪声应小于10nV/ Hz 。 为了提高信噪比， 一般不希望仪表放大器把自身的噪声加到信号上。

5、低失调电压和低失调电压漂移

仪表放大器的失调电压漂移由两部分组成， 及输入和输出两部分。每一部分均对总增益有影响， 但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源， 而输出部分的影响可以忽略。输入和输出失调的典型值分别为100 V和2mV.此外， 仪表放大器具有优秀的稳定性当工作条件发生变化时， 其关键参数仍然保持稳定。而且使用方便， 只须检测两个输入端的电位差。另外， 由于它的集成度高， 主要元件都做在芯片内部， 外围元件少。

仪表放大器典型应用

1、高边监视器

最简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些精密电阻，常见的高边测量都采用经典的差分放大器(用作增益放大和高边到地的电平转换，见图6)。虽然很多应用中也会使用分离电路，但其输入阻抗较低，而且电阻之间有较大差异。电阻的匹配必须非常精确才能获得可接受的共模抑制比，任一个电阻值存在0.01%的偏差都将使CMRR降低到86dB;如果偏差为0.1%，将使CMRR降低到66dB;而1%的偏差将使CMRR降低到46dB。选择仪表放大器结构时，有一个需要特别关注的参数，即在放大器任何输出摆幅下，输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。

2、电平转换器

此电路的工作原理可以这样来理解，将MAX4198看作一个三输入求和放大器(如图7所示)，其电压传输函数为Vout=Vb-Va+Vshift，此式表明，输出由差分信号与REF输入电压的代数和所决定，VREF可为任意值，它不会使MAX4198的放大器输出饱和，MAX4194也适合作一个精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：-1、2或 ±1 。

3、应力测量

三运放拓扑的真正优势是其能够进行真正的差分测量(很高的CMR)，同时又有非常高的输入阻抗，这些特点使其得到了广泛应用，特别是在信号源阻抗非常高的场合。为使信号源对地的漏电流达到最小，本例采用了一些防护技术，信号源电缆采用屏蔽电缆，并将其屏蔽隔离层接到(Vcm+ΔV/2)。图8给出了一个包括惠斯通电桥传感器的放大电路，对该电路的电桥阻抗可适当减小，并不会降低仪表放大器的CMR值。

仪表放大器应用实例_TI仪表放大器应用

INA128：

图1 管脚分布图

图2 内部原理图

1和8管脚接入电阻，用来设定放大倍数，放大倍数计算公式为G=1+50KΩ/RG。5管脚直接接地即可。其供电电压范围为±2.25~±18V，具有低偏移电压、低偏置电流、高共模抑制比。

图3 应用电路典型连接

图4 电桥法电路连接

左面部分为测量电桥，感知信号变化转化为电压信号，再将此小信号放大即可进行后续处理，如果信号及其微弱，应用中电桥最好使用全桥连接法，此法灵敏度最高，能增强信号精确度。

另外还有INA118、INA217均为仪表运算放大器，管脚功能和结构同INA128。

开发仪表放大器是为了获得比典型差分放大器更多的优势。 这就是为什么仪表放大器被用于大多数商业应用的原因。 但是它也有一些缺点。 让我们讨论一些仪表放大器的优缺点。

优点

1.测量的精度和精确度：仪表放大器用于测试和测量目的。 仪表放大器不需要匹配输入阻抗。 这就是为什么它们在测试中如此有用的原因。 较高的CMRR，较高的输入阻抗等较好的参数值也具有优势。

2.增益：仪表放大器为开环增益提供更大的值。 这是一个明显的优势，这也是放大器的基本要求。

3.系统的稳定性：在仪表放大器内部，所有正常运算放大器均以负反馈连接。 众所周知，负反馈使系统稳定。 仪表放大器的稳定性也很高。

4.可扩展性：仪表放大器具有难以置信的可扩展性。 它提供了在输入电平上缩放信号的选项。 这就是为什么总放大倍数比其他放大器大得多的原因。 由于这个原因，缩放范围也很高。

5.可达性：仪表放大器内置于IC中。 有八引脚IC可用。 因此，它更易于处理和使用。 同样，在放大过程中没有太多因素需要考虑。 用户只需要非常了解输入信号即可。 让我们找到仪表放大器的缺点。

缺点

1.仪表放大器遭受远程传输的困扰。 如果输入信号在扩展范围内进行通讯，则放大器倾向于将原始信号与噪声混合在一起。 如果可以简化电缆的类型，以便在初级阶段消除噪声或没有噪声进入传输线，则可以解决该问题。