儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。其輸入偏置電流也應(yīng)很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運(yùn)算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐(mΩ)。運(yùn)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。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個(gè)內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，它與其信號(hào)輸入端隔離。對(duì)儀表放大器的兩個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益既可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶(hù)通過(guò)引腳連接一個(gè)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(hào)輸入端隔離。

 

專(zhuān)用的儀表放大器價(jià)格通常比較貴，于是我們就想能否用普通的運(yùn)放組成儀表放大器?答案是肯定的。使用三個(gè)普通運(yùn)放就可以組成一個(gè)儀用放大器。電路如下圖所示：
 

 

圖1 標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路

 

輸出電壓表達(dá)式如圖中所示。

看到這里大家可能會(huì)問(wèn)上述表達(dá)式是如何導(dǎo)出的? 為何上述電路可以實(shí)現(xiàn)儀表放大器?下面我們就將探討這些問(wèn)題。在此之前，我們先來(lái)看如下我們很熟悉的差分電路：
 

 

圖2 用單運(yùn)放實(shí)現(xiàn)儀表放大器的差分放大電路

 

如果R1 = R3，R2 = R4，則VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)

 

這一電路提供了儀表放大器功能，即放大差分信號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)，但它也有些缺陷。首先，同相輸入端和反相輸入端阻抗相當(dāng)?shù)投也幌嗟?。在這一例子中VIN1反相輸入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等于反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此，當(dāng)電壓施加到一個(gè)輸入端而另一端接地時(shí)，差分電流將會(huì)根據(jù)輸入端接收的施加電壓而流入。(這種源阻抗的不平衡會(huì)降低電路的CMRR。)

 

另外，這一電路要求電阻對(duì)R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個(gè)輸入端的增益會(huì)有差異，直接影響共模抑制。例如，當(dāng)增益等于 1 時(shí)，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB(2000:1)。同樣，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡將使CMR下降 6 dB。

 

為解決上述問(wèn)題，我們?cè)谶\(yùn)放的正負(fù)輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

 

圖3 帶輸入緩沖的減法器電路
 

以上前置的兩個(gè)運(yùn)放作為電壓跟隨器使用，我們現(xiàn)在改為同相放大器，電路如下所示：

 

圖4 同相放大器電路

輸出電壓表達(dá)式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益(A1 和 A2)時(shí)，它對(duì)差分信號(hào)增加相同的增益，也對(duì)共模信號(hào)增加相同的增益。也就是說(shuō)，上述電路相對(duì)于原電路共模抑制比并沒(méi)有增加。

 

下面，要開(kāi)始最巧妙的變化了!看電路先：

 

圖5 標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路
 

 

這種標(biāo)準(zhǔn)的三運(yùn)放儀表放大器電路是對(duì)帶緩沖減法器電路巧妙的改進(jìn)。像前面的電路一樣，上圖中A1 和A2 運(yùn)算放大器緩沖輸入電壓。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，單個(gè)增益電阻器RG連接在兩個(gè)輸入緩沖器的求和點(diǎn)之間，取代了帶緩沖減法器電路的R6和R7。由于每個(gè)放大器求和點(diǎn)的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個(gè)差分輸入電壓現(xiàn)在都呈現(xiàn)在RG兩端。因?yàn)檩斎腚妷航?jīng)過(guò)放大后(在A1 和A2的輸出端)的差分電壓呈現(xiàn)在R5，RG和R6這三只電阻上，所以差分增益可以通過(guò)僅改變RG進(jìn)行調(diào)整。

 

這種連接有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一旦這個(gè)減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后，在改變?cè)鲆鏁r(shí)不再對(duì)電阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，則VOUT = (VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)由于RG兩端的電壓等于VIN，所以流過(guò)RG的電流等于VIN/RG，因此輸入信號(hào)將通過(guò)A1 和A2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在RG上產(chǎn)生電流。由于沒(méi)有電流流過(guò)RG(也就無(wú)電流流過(guò)R5和R6)，放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號(hào)將以單位增益通過(guò)輸入緩沖器，而差分電壓將按〔1+(2 RF/RG)〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來(lái)的差分電路增大了〔1+(2 RF/RG)〕倍!

 

在理論上表明，用戶(hù)可以得到所要求的前端增益(由RG來(lái)決定)，而不增加共模增益和誤差，即差分信號(hào)將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益(差分輸入電壓)/(共模誤差電壓)〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個(gè)非常有用的特性。

 

最后，由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級(jí)的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。上述這些特性便是這種三運(yùn)放結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用的解釋。

 

到這里，我們導(dǎo)出了這個(gè)經(jīng)典電路的來(lái)龍去脈： 差分放大器-->前置電壓跟隨器-->電壓跟隨器變?yōu)橥喾糯笃?->三運(yùn)放組成的儀用放大器。