仪表放大器系列之仪表放大器基本原理

好吧，现在我将展开模拟电路里面很重要的一样器件——仪表放大器

今天先来说说他的一些概念和基本原理！

      首先，仪表放大器很容易被人误解，不是所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，并且所有的仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于许多领域，从电机控制到数据采集以及汽车系统。

        稍微了解点仪放的人都知道，仪放是多只运放构成的一个整体器件！那么仪表放大器与普通运算放大器有什么不同点呢？

        仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥10^9 Ω。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA～50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。所以可以说仪放是普通运放的升级版吧

        运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻器决定。与运算放大器不同的是，仪表放大器使用与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可以由用户将引脚连接到内部或者外部增益电阻器而设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。

运算放大器和仪表放大器输入特性比较：

下面给出一个典型的仪表放大器应用图！

        当检测信号时，电桥电阻器的阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生差分电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压，其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流（DC）电压也施加到两输入端。通常，该直流电压通常在两输入端是相等的或是共模的。仪表放大器的主要作用在于通常抑制共模 DC 电压或者两输入端的任何其它共模电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。

相反，如果在此应用中使用标准的运算放大器，则其仅能简单地放大差模信号电压以及任何 DC 信号、噪声或其它共模电压。结果，该信号会淹没在DC 失调电压和噪声之中。因此，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱信号，所以相信大家能明确的知道仪放就是放大差模信号的利器！

那么现在再说说仪放的几个基本参数和特性：

第一个是共模增益（Acm）是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与CMR有关。Acm是指两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益（或衰减）。例如，如果仪表放大器的共模增益为 1/1000，则其输入端的 10 V共模电压在其输出端会呈现出10 mV的变化。

第二个是差模增益或常模增益（Ad）是指在两个输入端施加（或跨接）不同的电压时输入与输出之间的电压增益。

第三个是共模抑制比（CMRR）是指Ad与Acm之比。请注意在理想的仪表放大器中，CMRR将随增益的增加成比例增大

第四个是共模抑制（CMR）是抑制任何共模信号（两输入端信号幅度相同）同时放大差模信号（两输入端的信号幅度差）的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。DC 和交流（AC）CMR 都是仪表放大器的重要技术指标。使用现代任何质量合格的仪表放大器都能将由 DC 共模电压（即，出现在两输入端的 DC 电压）产生的任何误差减小到 80 dB～120 dB。

那么可以用运放构成仪放使用吗，如果在一些不需要高精度的场合，那么当然是可以的！我们可以简单的用一只运放构成，如下图，这个叫做差分放大器！

这种类型的 IC 是一种专用仪表放大器，它通常由一颗减法器放大器和随后的输出缓冲器（或者是增益级）组成。减法器中使用的四只电阻器通常集成在 IC 内部，因此它们能够精密匹配以达到高的 CMR。当然用一颗运放外加电阻，因为电阻误差比较大，所以CMR会明显下降！

最后来说说仪表放大器的应用场合吧！

1：数据采集
仪表放大器的主要用途是放大噪声环境中传感器输出的弱信号。对压力传感器或温度传感器信号的放大是常见的仪表放大器应用。常见的电桥应用包括使用负荷传感器测量应变力和重量以及使用电阻温度检测器（RTD）测量温度。

2：医用仪器
仪表放大器广泛用于医用设备，例如心电图仪（EKG）和脑电图仪（EEG）、血压计以及除颤器。

3：监测和控制电子设备
差分放大器可用于监测系统中的电压或电流并:且当超过正常值后触发报警系统。由于差分放大器能够抑制高共模电压，因此它们经常用于这类应用。

4：软件可编程应用
仪表放大器可以与软件可编程的电阻器芯片一同使用，以允许软件控制硬件系统。

5：音频方应用
由于仪表放大器具有高 CMR，因此有时将它们用于音频方面（例如传声器前置放大器），以便从噪声环境中提取微弱信号并且最大程度减小由于接地环路引起的失调电压和噪声。

6：高速信号调理
由于当今视频数据采集系统对速度和精度要求的提高，因此对宽带仪表放大器的需求不断增长，特别是在要求进行失调修正和输入缓冲的 CCD 成像设备领域。这个领域通常采用双修正采样技术对CCD 图像进行失调修正。其使用两个采样保持放大器监测像素和参考电平，并且将它们的信号电压馈送到仪表放大器，从而提供修正 DC 的输出

7：视频应用
高速仪表放大器可用于许多视频和电缆射频（RF）系统，以放大或处理高频信号。

8：功率控制应用
仪表放大器还可以通过测量三相 AC 电机的电压、电流和的相位关系来监控电机（监测和控制电机的转速、转矩等）。差分放大器适用于输入信号电压超过电源电压的应用。

谢谢观看