仪表放大器系列之仪表放大器内部原理

       昨天，简单介绍了一下仪表放大器的基本原理和特性，以及应用的一些场合，今天，我们大家再一起来深入看看仪表放大器的内部原理！

       仪表放大器最重要的一个功能想必大家都清楚，消除共模信号，放大差摸信号，现在我先来说说仪表放大器一步步改进的过程！

       首先，实现差分增益最简单的电路即为下图：

如果R1=R3，R2=R4，则，Vout=(VIN2-VIN1)*(R2/R1)

       尽管这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些局限性。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在该该示例子中，VIN1反相输入阻抗等于 100kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即 200 kΩ。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，会产生不同的电流，这取决于电压加在哪个输入端（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMR）。

       另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有所差异，这将直接影响CMR。例如，当增益等于 1时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一个电阻值有 0.1%失配，则其CMR将下降到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。

       尽管存在这么些缺陷，但此类简单的仪表放大器电路可用作高性能仪表放大器内部的单元电路，通常称之为差分放大器或减法放大器！

基于以上问题，我们可以这样来改进电路！为每一个输入端增加一个缓冲电路！如下图

        该电路可提供两输入端匹配的高阻抗，以便使输入源阻抗对电路的 CMR 影响最小。通常优先选择一颗双运算放大器作为两个输入端的缓冲放大器，这是因为它们随温度变化的一致性较好并且可以减小印制电路板（PCB）面积！

       但是如果我需要在输入级也提供一定的增益，那该怎么办，因此，我们又可以对上图电路做出如下改动！如下图：

可得到输出Vout=(VIN2-VIN1)*(1+R5/R6)*(R2/R1),

       我们在这里会发现，这个输入级电路，不仅对输入信号的差摸信号量进行了放大，也对共模信号进行了放大，那么我们可以看到的是，输入级的电路对整体电路的CMR并没有做出贡献！因为我们知道整个电路的CMR应该是每一级电路CMR的一个积累，因为在实际电路中，后面的差分级的电路很难匹配的很好，这样后面的差分级的CMR就不会很高，这就需要前面的输入级来做出贡献！

那么我们又可以这样改进电路！如下图

       在这个电路里我们会发现这样几个优点，第一，一旦差分级的电阻匹配好之后，如果我们要改变整体电路的增益，我们只需要输入级的增益，而往往芯片会留出外接电阻RG的引脚！第二，由于RG两端的电压等于VIN，流过RG的电流等于VIN/RG，因此放大器A1 和A2 将在一定增益下工作并且放大输入信号。然而，应当注意，如果将共模电压施加到放大器的输入端，则RG两端的电压相等，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将用作单位增益跟随器。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将以(1+(2*RF/RG))的增益系数被放大。并且我们可以知道，前端差摸增益的改变将不会影响共模误差，也就是说，CMR将随着差摸增益的提高而成比例增大！

       最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差将由输出级的减法器电路消除。这包括共模抑制随频率变化的误差。上述这些特性解释了这种三运放结构得到广泛应用的原因。

了解了仪放的改进过程，接下来再说说三运放仪表放大器设计的考虑

      设计三运放仪表放大器有两种选择：场效应晶体管（FET）或双极型输入的运算放大器。FET输入的运算放大器具有非常低的偏置电流，通常适用于很高源阻抗（＞10^6 Ω）的应用。但FET放大器的CMR通常比双极型放大器低、其失调电压和失调电压漂移都比比双极型放大器高

       检测端（SENSE）和参考端(REF)(见上图)允许用户改变 A3 的反馈和接地线路。检测引脚可以接受外部驱动以用于伺服应用和其它需要改变A3 增益的场合。同样，参考端允许将外部偏移电压施加到 A3。对于正常工作方式，将检测端和输出端连接在一起，参考端和接地端也连接在一起。双极型输入级的放大器与FET输入级的放大器相比具有更高的CMR和更低的输入失调电压漂移。

       超β双极型输入级具有FET和双极型工艺的许多共同优点，它具有比FET输入级更低的输入偏置电流(IB)漂移。

       在这里我还要提醒大家一点就是仪表放大器工作在高增益时其共模电压范围（CMV）减小，想应该很好理解！

说完了最普遍的三运放仪表放大器，那么在来谈谈双运放仪表放大器吧！基本电路图如下

在R1=R4，R2=R3的条件下

我们可以求出Vout=(VIN2-VIN1)*(1+R2/R1)+VREF;

那么这个双运放仪表放大器和三运放仪表放大器有哪些不同点呢？

       第一点，双运放的共模电压范围是受到电源和参考电压的限制！我们可以简单来说，VO1=-0.25*VREF+1.25VIN1,如果采用单电源供电，那么我们可以知道，VIN1和VIN的共模信号是要受到VREF和电源电压限制的！

       第二点，这点很重要！与三运放仪表放大器设计相比，标准双运放仪表放大器的另一个可能更加严重的限制是其难达到高 AC CMR 的固有缺陷。这种限制来源于双放大器电路内部的共模信号路径固有的不对称。（我们可以看到VIN2和VIN1其实不是同时到达A2运算放大器的）

       假设将频率为FCM的正弦波共模电压VCM以共模方式施加到上图所示的输入端VIN1和VIN2。理想情况下，AC输出电压（共模误差）的幅度应是 0 V，而与频率FCM无关，至少在正常AC输电线主频范围50 Hz～400 Hz内无关。输电线常常是许多共模干扰的误差源。

       然而，任何由放大器A1 产生的相移（延迟）都将导致其输出端VO1的电压略微滞后于直接施加在VIN2的共模电压。即使VO1和VIN2两个电压的幅值均为理想值，但两者之间的相位差会引起VO1与VIN2之间的瞬时（矢量）偏差。这将在电路的输出端VOUT产生一个依赖于频率的共模误差电压！并且频率越大，影响越大，我们可以从下图看到，频率越高，CMR恶化越严重！

所以在某些应用中，要避免使用双运放仪表放大器，特别是在频率比较高的时候，并且要处理的信号很小的时候！

谢谢观看！下次，我来说说单片仪表放大器！