仪表放大器及应用

１　概述

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等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。

用分离元件构建仪表放大器(ＩＡ）需要花费很多的时间和精力，而采用集成仪表放大器（ＩＡ）或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。为了更好的理解仪表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，这里以图１所示的惠斯通电桥变送器来进行说明，图１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激励电压（Ｖｅｘ）为１０Ｖ。这样，在空载条件下，对“电桥”进行计算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

Ｖ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ

所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ

变送器输出就是电桥两个输出端的电压差（ΔＶ）。假定有某个激励加在电桥的４个活动臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同时Ｒ２和Ｒ３的值有所减少；此时若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，实际上，人们所关心的信号是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通过对共模电压（ＣＭＶ）进行计算可知：即便电桥不平衡，共模电压（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。理想情况下，此电路的输出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

　　上述计算表明，在有大的共模信号时，测量一个微弱的电压信号比较困难；而ΔＶ（以ｍＶ为单位）则可通过测量两个较大的电压信号Ｖ２与Ｖ１来获得，这两个电压均可在伏特级。

２　误差

早期比例计量是用检流计实现的，它（不像ＩＡ）不受共模电压的困扰。图１仅是示意图?没有包括误差源。实际应用系统的主要误差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（见图２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模电压的存在而引起的放大器的输入失调电压的偏差，ＣＭＲ定义为ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?。在图２所示的惠斯通电桥中，若要使误差小于差分信号的１％，其ＣＭＲ应为：

　　ＣＭＶ＝５Ｖ?ΔＶ＝２ｍＶ，则Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

而要得到一个小于０．１％的误差，则需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分离电路并进行严格调整可以获得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要达到如此高的稳定性，还须采用线绕电阻，但线绕电阻的等效电感会导致ＣＭＲ的频率特性退化。电源抑制（ＰＳＲ）是指由于电源电压的变化而引起的放大器输入失调电压的偏差，ＰＳＲ的定义为：ＰＳＲ＝２０ｌｏｇ?ΔＶｏｓ／ΔＶｓｕｐｐｌｙ?。而Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ／Δｔｅｍｐ、Ｉｂ和Ｉｏｓ误差的处理方法与传统运算放大器相同，但必须考虑各种条件下的误差：包括温度范围、源电阻、电源调节、共模输入电压、增益、Ｖｏｓ、ΔＶｏｓ、Ｉｂ和 Ｉｏｓ。最差情形应该参考数据手册中的最小值或最大值，有些情况下，也可以使用典型值，因为在同一时刻不可能所有的参数都处于它们的极限值。

３　仪表放大器的结构

３．１ 差分放大结构

ＭＡＸ４１９８和ＭＡＸ４１９９是精密、低功耗差分放大器，增益由工厂预置（见图３）。ＭＡＸ４１９８具有＋１Ｖ／Ｖ的增益，ＭＡＸ４１９９具有＋１０Ｖ／Ｖ的增益。虽然电阻器件精确匹配，但其绝对值的变化范围是±２５％。对于ＭＡＸ４１９８，同相输入阻抗典型值是５０ｋΩ，反相输入阻抗典型值是２５ｋΩ。对于ＭＡＸ４１９９，同相输入阻抗典型值是２７５ｋΩ， 反相输入阻抗典型值是２５ｋΩ。内部运算放大器的共模输入电压范围为ＶＥＥ～（Ｖｃｃ－１．１Ｖ）。内部运放的输入不具备满摆幅特性，但ＭＡＸ４１９８的内置电阻为一个分压器，它使得输入共模电压范围可超出电源摆幅。当ＶＣＣ为５Ｖ时，ＭＡＸ４１９８的输入范围可超出电源摆幅１００ｍＶ，而且不会造成共模抑制比性能的下降或输出与输入的相位反转。而ＭＡＸ４１９９输入共模电压范围可扩展到负电源电压以下的１００ｍＶ～（Ｖｃｃ－１Ｖ）。当Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４时，标准差分放大器的简化方程是Ｖｏ＝Ｖｂ－Ｖａ；因此，四个电阻值的任何不匹配都会导致ＣＭＲ的下降。

图4

    虽然分离差分放大电路已被广泛使用，但它还有以下主要缺陷：

●输入电阻等于Ｒ１，相对较小；

●输入电阻通常存在较大差异；

●电阻一定要非常精确地匹配才能得到可接受的共模抑制比；

●较高频率时输入阻抗的差异可使ＣＭＲ下降；

●信号源阻抗对ＣＭＲ影响较大。

３．２ 运放结构

ＭＡＸ４１９４－ＭＡＸ４１９７系列低功耗仪表放大器属于三运放拓扑，其拓扑结构如图４所示。它的输入级由两个运放组成，这两个运放可提供固定的差分增益和单位共模增益；输出级是常规的差分放大器，具有１１５ｄＢ的共模抑制比（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）。ＭＡＸ４１９４的增益可由外部设定（＋１Ｖ／Ｖ～＋１０，０００Ｖ／Ｖ）；ＭＡＸ４１９５－ＭＡＸ４１９７则由内部设置增益，固定增益分别为：＋１Ｖ／Ｖ、＋１０Ｖ／Ｖ和＋１００Ｖ／Ｖ。放大器的共模电压输入范围是（ＶＥＥ＋０．２Ｖ）到（ＶＣＣ－１．１Ｖ）。理想情况下，仪表放大器只对作用在ＩＮ＋和ＩＮ－两个输入端的差分电压有响应，当两个输入端电压相同时，输出为ＶＲＥＦ。ＩＮ＋与ＩＮ－之间的差分电压将在增益设置电阻上产生相同的电压和相应电流（ＩＧ），该电流流过两个输入运放Ａ１和Ａ２的反馈电阻可产生的电压差为?

ＶＯＵＴ２－ＶＯＵＴ１＝ＩＧ×(Ｒ１＋ＲＧ＋Ｒ１）

其中，ＶＯＵＴ１和ＶＯＵＴ２是Ａ１和Ａ２的输出电压，ＲＧ（内置或外接）是增益设置电阻，而Ｒ１是输入运放的反馈电阻。此时，ＩＧ将由下式决定：ＩＧ ＝(ＶＩＮ＋ － ＶＩＮ－）／ＲＧ。仪表放大器输出电压（ＶＯＵＴ）由下式表示：

ＶＯＵＴ＝(ＶＩＮ＋－ＶＩＮ－）×(２Ｒ１／ＲＧ＋１）

共模输入电压范围是电源电压和放大器输出电压的函数。当电源为ＶＣＣ，ＲＥＦ端接ＶＣＣ／２时，可以得到最大的输出信号摆幅，此时所产生的输出电压的摆幅为±ＶＣＣ／２；若输出电压的摆幅没有达到最大值，则共模输入电压的范围还可相应增加。如果仪表放大器选择得不合理，共模输入电压范围可能会受到电源电压、增益和ＲＥＦ引脚电压的影响。其原因是各内部结点的电压会使放大器不再工作在线性区，而进入饱和区。图５是ＭＡＸ４１９４的典型共模输入电压范围与输出电压摆幅间的关系（单位增益，单电源（ＶＣＣ）为５Ｖ时，偏置参考电压ＶＲＥＦ为ＶＣＣ／２＝＋２．５Ｖ）。图中，Ａ点到Ｄ点分别对应于输入放大器的满量程输入电压范围?ＶＥＥ＋０．２Ｖ? 到?ＶＣＣ－１．１Ｖ?。其它点（Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ）则由输入放大器的输入电压范围减去产生相应输出所需要的差分输入幅度来决定。对于更高增益的配置，端点Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ上的共模电压范围还会增大，因为对于给定的输出电压，只需更小的差分输入电压即可。

增益设置电阻Ｒｇ是仪表放大器的关键部件，其温度系数对于放大器的总体性能有较大影响。内置Ｒｇ的仪表放大器具有较好的温度系数和温度一致性，易于设置增益，且输入阻抗较高，即便是在５０Ｈｚ～６０Ｈｚ的率下频仍有很好的共模抑制比ＣＭＲ。但是，它的Ｖｉｎ、ＣＭＶ、增益和ＶＲＥＦ之间具有一定的制约关系。实际上，运算放大器或仪表放大器的选择依赖于具体的应用，在具体应用中，共模输入电压、电源电压、增益、ＲＥＦ引脚电压和传感器阻抗必须综合考察。利用放大器的ＲＥＦ引脚可以对输出失调电压进行微调；而对于加在ＲＥＦ引脚上的微调电压，则必须确保有一个较低的源阻抗，因为ＲＥＦ引脚上的附加阻抗将使ＣＭＲ变低。

４　典型应用

４．１ 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。

    ４．２ 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 。

４．３ 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。