仪表放大器与运算放大器在各方面有什么不一样？

仪表放大器又名INO，可放大电压变化并提供与任何其他运算放大器一样的差分输出。但与普通放大器不同，仪表放大器将具有高输入阻抗和良好增益，同时通过全差分输入提供共模噪声抑制。

在本文中，将了解这些仪表放大器，此外，还将介绍如何使用LM385或LM324等普通运算放大器来构建一个仪表放大器并将其用于我们的应用。运算放大器还可用于构建电压加法器和电压减法器电路。

什么是仪表放大器 IC?

除了普通的运算放大器 IC，我们还有一些用于仪表放大器的特殊类型的放大器，例如INA114 IC。它只不过是为某些特定应用组合在一起的几个普通运算放大器。要了解更多信息，请查看 INA114 的数据表以了解其内部电路图。

运算放大器是集成电路，在某种程度上是构件。运算放大器的输入(V +和V-)具有很高的阻抗，因此，很少有电流流入这些输入。运算放大器性能的通用公式为Vout = A *(V +-V-)，并且A是一个非常大的数字。当以反馈模式接线时，运算放大器可以具有许多不同的配置(即使“开环”增益非常大)。

根据定义，差分放大器也具有以下关系：Vout = A *(V +-V-)，但是A的数量可能比开环工作的运放小得多，并且输入电流不一定是零。输入阻抗可以相对较低，并且每个输入的输入阻抗不必相同。差分放大器可以由一个或多个运算放大器和一些电阻器构成，也可以由更多基本部件(例如晶体管)构成。

仪表放大器是一种特殊的差分放大器。通常，它是一个差分放大器，但是两个输入上的输入阻抗非常高(意味着非常小的输入电流)，并且每个输入都相同。通常有一种方法可以通过一个电阻来改变增益。通常，仪表放大器具有三个运算放大器配置(或等效配置)，其中两个运算放大器用作输入级，输出级是一个简单的具有参考点的运算放大器差动放大器，可用于移动基线周围。由于差动放大器上的电阻通常在集成电路内部进行激光调整，因此共模抑制非常高。

仪表放大器这一术语经常被误用，它指的是器件的应用，而非器件的架构。在过去，任何被认为精准(即，实现某种输入失调校正)的放大器都被视为“仪表放大器”，这是因为它被设计为用于测量系统。仪表放大器(即 INA)与运算放大器(运放)相关，因为二者基于相同的基本构件。但 INA 是专用器件，专为特殊功能设计，并非一个基本构件。就这一点而言，仪表放大器不是运放，因为它们的用途不同。

就用途而言，INA与运放之间最显著的区别或许是前者缺少反馈回路。运放可配置为执行各种功能，包括反相增益、同相增益、电压跟随器、积分器、低通滤波器和高通滤波器等。在所有情况下，用户都会提供从运放的输出到输入的反馈回路，此反馈回路决定放大器电路的功能。这种灵活性使运放得以广泛用于各种应用。另一方面，INA的反馈位于内部，因此没有到输入引脚的外部反馈。INA的配置限制为1个或2个外部电阻，也可能限制为一个可编程寄存器，用于设置放大器的增益。

INA 专为差分增益和共模抑制功能而设计和使用。仪表放大器将放大反相输入和同相输入间的差值，同时抑制这两个输入的任何共用信号，从而使INA的输出上不存在任何共模成分。增益(反相或同相)配置的运放将以设定的闭环增益来放大输入信号，但输出上将一直存在共模信号。所关注信号与共模信号间的增益差会导致共模成分(以差分信号的百分比表示)减少，但运放的输出上仍存在共模成分，这将限制输出的动态范围。

如上所述，INA用于在存在大量共模成分时提取小信号，但共模成分的形式可能多种多样。当使用采用惠斯通电桥配置(我们将稍后探讨)的传感器时，存在由两个输入共用的较大直流电压。但是，干扰信号可具有多种形式;一个常见来源是来自电源线的50 Hz或60 Hz干扰，更不用说谐波了。这种时变误差源通常还会随频率发生明显波动，从而使得在仪表放大器的输出端进行补偿变得极其困难。由于存在这些变化，因此不仅要在直流下，还要在各种频率下实现共模抑制。

差分放大器

人们的第一个问题可能是：“是否可通过简单的运放构建仪表放大器?”我可以马上回答你：“是的，可以”。但始终要做出权衡!人们首先想到的可能是简单的差分放大器电路(图1)，有时称为减法器。

图 1：差分放大器电路

这是一个非常简单的电路，可以提供差分增益并具有一定的共模抑制能力，这正是INA的本意所在。对于上文提到的权衡，此电路中有两处。首先，我们来看一下输入阻抗。输入阻抗由电阻的值决定，其相对较低，大小约为100 kΩ。其次，输入阻抗不匹配，这意味着流经每个管脚的电流不同，从而导致共模抑制能力受到影响。这一简单电路的另一个缺点是需要电阻匹配。此电路的共模抑制比主要由电阻对内部的匹配程度决定，而非由运放本身决定。只要这些电阻对存在任何不匹配，都会降低共模抑制比。此差分放大器的共模抑制比可按如下公式计算：

其中：Rt = 电阻对的总不匹配率(分数形式)

例如，假设 R1 = R2 = R3 = R4(提供单位增益)，电阻不匹配率为 1%。利用上述公式可得出：

如本例所示，可通过该简单电路实现的性能极为有限。即使在手动进行电阻匹配时，也很难实现66 dB以上的共模抑制比。

此外，这并未考虑因温度所致的波动，不同电阻在温度系数上的任何差异都将进一步增大不匹配率，从而导致更差的共模抑制比。考虑到所有这些因素和限制，单片差分放大器通常是性能相对较高的应用的最佳解决方案。

从技术上说，之前讨论的差分放大器电路不是仪表放大器，但对于某些需要高速和/或高共模电压的应用十分有用。对于高精度应用而言，真正的仪表放大器通常才是最佳选择。可利用两种常见的电路来构建仪表放大器，一种电路基于两个放大器，另一种基于三个放大器。下面将详细讨论这两种电路。请注意，这些基本电路可利用标准运放来构建，但也是当今提供的许多单片仪表放大器中使用的基本电路概念。

双运放INA

图 2：双运放仪表放大器电路

图2给出了基于两个放大器的常见仪表放大器电路。在该电路中，总体增益通过一个标注为“RG”的电阻来设置，如此可得：

这种电路架构的限制之一是它不支持单位增益。尽管大多数仪表放大器用于提供增益(因此，要实现单位增益也不是难事)，但某些应用严格地将仪表放大器专用于共模抑制。因此，对于某些应用，假设将INA用于单位增益配置也是合理的。双运放INA的另一个限制是输入的共模范围有限，尤其是在低增益下和使用单电源运放时。请记住，图2左侧的放大器必定会将反相节点处的输入信号放大1+R1/R2。因此，如果输入信号的共模电压过高，放大器将发生饱和(超出输出裕量)。高增益下将有更多的放大器裕量，因此在其他所有条件一样的情况下，电路可支持更宽的输入信号共模范围。

之前讨论的差分放大器电路的限制之一是较低的输入阻抗。从图2中可以看出，双运放INA电路不存在此问题，因为两个差分输入信号直接馈入放大器的输入引脚，其阻抗通常为几百万欧姆。但是，由于输入信号路径不同，各差分输入信号的延时也不同，这就导致不同频率时的共模抑制比(仪表放大器的关键参数)较差。与差分放大器电路类似，直流下的共模抑制比同样受电阻匹配率限制。

相对于分立式解决方案，基于这种双运放架构的单片INA从本质上来说将具有更好的电阻匹配和温度跟踪性能，因为基于硅的电阻可通过微调来提供大约0.01%的匹配率。但双运放INA架构仍有一些明确的限制，不改变电路架构的情况下无法克服这些限制。

三运放INA

第二个常见的INA电路基于三个运算放大器，如图3所示。可以发现，此电路的后半部分与之前讨论的差分放大器完全相同。在电路的前端添加两个运算放大器缓冲器可提供较高且匹配良好的阻抗源。这有助于缓解与简单差分电路有关的主要问题之一。末端的差分放大器可以抑制共模成分。

图3：传统的三运放仪表电路

在该配置中，电路的增益通过标注为RG的电阻的值来设置。现在看一下输入级，输入级包含两个运算放大器，无论前两个放大器的差分增益(由RG设定)如何，所有共模信号均以单位增益为系数进行放大。因此，无论增益如何，此电路均可提供较宽的共模范围(受前两个放大器的裕量限制)。与之前讨论的双运放INA相比，这是一大优势。差分放大器随后会消除任何共模成分。与之前讨论过的架构类似，共模抑制性能取决于电阻匹配率，如下所示：

其中：Rt = 电阻对的总不匹配率

由于共模成分始终伴随单位增益这一事实，三运放仪表放大器的共模抑制比将随差分增益的大小成比例增大。

许多单片仪表放大器均基于这一电路概念。单片解决方案提供完美匹配的放大器，并且能够使用微调电阻，从而实现优秀的共模抑制性能和较高的增益精度。近年来，单片仪表放大器对这一基本架构进行了额外的改进。例如，电流模式拓扑无需高精度电阻匹配便可实现高共模抑制比。在任何情况下，使用运算放大器和分立式元件的分立式解决方案通常都会提高成本并降低性能。

运算放大器的概念

运算放大器(常简称为“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

目前运算放大器主体部分已集成化, 故运算放大器也称为集成放大电路,采用半导体制造工艺将二极管,三级管,电阻等元件及它们之间的边线,集成在一块半导体基片上,构成一个具有特定功能的完整电路系统。

其实内部是一个高放大倍数的直接耦合放大电路,内部一般包括:输入级,中间级,输出级和偏置电路四部分.它们的关系可表示如下图:运算放大器的主要特点

运算放大器的主要特点是电压增益大,输入电阻大,输出电阻小。

运算放大器的分类

有两种分类方法,分别为按特性不同分和按结构不同分,具体内容可以用图表示如下:运算放大器的特点

(1)集成运算放大器采用直接耦合放大电路,对直流信号和交流信号都有放大作用.

(2)为克服零漂现象,提高共模抑制比,输入端全部采用差分放大电路,并采用恒流源供电.

(3)采用复合管提高电路的增益.

(4)电路中的无源器件多用有源器件来代替.

(5)总结可得最重要的三个特性是:1,高输入阻抗;2,高电压增益;3,低输出阻抗.

运算放大器的主要技术指标

集成运放的性能指标较多,可主要常用的几种有:

(1)开环差模电路增益 (2)输入失调电压及失调电压温漂 (3)输入失调电流及失调电流温漂 (4)差模输入电阻 (5)输入电阻 (6)共模抑制比 (7)截止频率 (8)转换速率

运算放大器的功能

运放有相加、相 减、比例放大、积分微分等运算功能,运放可以构成的简单高通、低通滤波器。可以制成波形发生器。