儀表放大器及在智能化儀器中應(yīng)用

1、儀表放大器及在智能化儀器中應(yīng)用河南省平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王崗嶺 樊建文 韓建軍摘 要：在智能化傳感器系統(tǒng)中廣泛采用多路開關(guān)和儀表放大器構(gòu)成信號放大處理電路，放大差分信號的儀表放大器在設(shè)計使用過程中應(yīng)考慮到輸入共模信號的范圍、輸入偏置電流回路設(shè)置、增益的選擇、調(diào)零、濾波等因素，以及所選擇的信號輸入方式。針對這些問題進(jìn)行了較詳細(xì)的討論。 關(guān)鍵詞：儀表放大器 設(shè)置 應(yīng)用儀表放大器具有的高精度、低漂移、低功耗、高共模仰制比、電源供電范圍寬、體積小等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶及傳感器等高分辨率的智能化儀表放大電路中得到了廣泛的應(yīng)用。1. 儀表放大器的結(jié)構(gòu)、電路原理及電氣參數(shù)儀表放大器一般是集

2、成三個放大器和經(jīng)過激光調(diào)阻修正的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，內(nèi)部阻值的校準(zhǔn)保證用戶只需要外接一個不需要精密匹配的電阻，即可實現(xiàn)最高達(dá)萬倍的增益精確設(shè)定，減少了由于增益相關(guān)誤差帶來的數(shù)據(jù)采集誤差。而美國德州儀器公司推出的精密儀表放大器INA326/327等（INA326采用8腳MSOP封裝，INA327采用10腳MSOP封裝），它在傳統(tǒng)的三片運放式的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步改進(jìn)，將電阻網(wǎng)絡(luò)改變?yōu)樗膫€鏡像電流源電路，可將輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號并進(jìn)行處理，不需要精密匹配的電阻，就可有效地抑制共模輸入電壓，共模抑制比可達(dá)114dB（典型值）。INA326/327儀表放大器具有高精度、低失調(diào)電壓、高共模仰制比和較低溫漂、線

3、性度好、工作頻帶寬等優(yōu)點，其輸入或輸出接近于電源電壓，因此能夠提高輸入和輸出的動態(tài)范圍，適合對各種微小信號進(jìn)行放大。INA326的結(jié)構(gòu)原理圖見圖1。電路原理：同相輸入端VIN+與反相輸入端VIN-可分別通過運算放大器A1、A2作用于R1，來自A1輸出級的流過R1電流IR1和復(fù)制于A1的鏡像電流IR1匯合后，進(jìn)入A2，A2輸出級輸出2IR1，由于鏡像電流作用將在腳5流出（或輸入）電流為2IR1，因此，其電壓增益為：Au=2R2/R1由于內(nèi)部電源泵可分A1、A2及相關(guān)電源提供所需電壓，且其值可超過電源正負(fù)限。因此，加在其兩端的電壓可達(dá)到-20mV+100mV。A3是電壓跟隨器，起緩沖輸出作用，其輸

4、入級亦由電源泵供給。INA326的主要電氣參數(shù)如表所示。INA326的主要電氣參數(shù)參 數(shù)典型值單 位增益公式（外接電阻設(shè)置增益）Au =2（R2/R1）增益范圍0.110000V/V增益誤差±0.08%線性誤差±0.004% of FS增益溫度系數(shù)±6ppm/輸入失調(diào)電壓±20V失調(diào)電壓漂移±0.1V/輸入偏置電流±0.2nA差分輸入電阻/電容1010/2/pF共模輸入電阻/電容1010/14/pF輸入電壓范圍(V-)-0.02(V+)+0.1V安全輸入電壓范圍（V-）-0.5(V+)+0.5V共模抑制比114dB頻率響應(yīng)寬度（-3d

5、B）1kHz輸出短路電流±25mA容性負(fù)載驅(qū)動能力500pF工作環(huán)境溫度范圍-40125貯存溫度范圍-401502. 增益設(shè)置方法由內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，INA326是一個2級放大器，每級的增益分別由R1、R2設(shè)置，總增益Au=2R2/R1。外接電阻R1、R2除對增益起決定性作用外，也直接影響放大器的穩(wěn)定性及溫度漂移，在要求精度較高時，應(yīng)盡量采用低溫度系數(shù)的精密電阻。另外，連接R1、R2的布線及集成電路插座電阻也會產(chǎn)生增益誤差，所以，在要求精度較高時，不能采用插座，要直接焊接，同時應(yīng)盡量減少1腳與8腳的雜散電容，并將4腳與7腳用電容相連接。外接電阻在+5V單電源或±2.5V雙電源兩

6、種情況下有著不同的最佳配置。R1的最佳值可通過式R1=VIN（max）/12.5A來計算，但在使用中R1不應(yīng)小于2k，否則會影響電路的穩(wěn)定性。即總增益設(shè)置的條件為Au=2R2/R1，（R12K）3. 典型應(yīng)用INA326的一種典型應(yīng)用電路如圖2所示。圖中OPA551是電壓差為60V運算放大器，可實現(xiàn)高達(dá)±27V的輸出。其輸出電壓Vo可通過RF進(jìn)行反饋，這樣，增益為Au =RF/R1=100。由于INA326中內(nèi)部電源泵的作用，其5腳的電壓值可達(dá)VGND20mV，因此，無需在5腳端連接附加的負(fù)電源。在該電路中，IB引起的失調(diào)電壓很微弱，為100pA×2k=0.2V。圖3是應(yīng)用

7、INA326設(shè)計的精密滿幅度電壓跟隨器。當(dāng)該電路的輸入為高頻信號時，應(yīng)當(dāng)在電路中接入電容C1，并取C1=100C2。該電路沒有CMOS運算放大器常見的N/P輸入級跨接效應(yīng)，因此具有非常好的線性。4. 應(yīng)用時注意的問題4.1 輸入端偏流回路的設(shè)置一般來說，選擇差分信號測量的工作方式時，后面的信號放大電路一般直接采用儀表放大器構(gòu)成。儀表放大器的輸入阻抗非常高,大約達(dá)到1010數(shù)量級，相應(yīng)對于差分輸入的每個輸入端都需要輸入偏置電流通道，以提供共模電流反饋回路，例如儀表放大器INA326輸入偏置電流大約為±0.2nA。由于儀表放大器的輸入阻抗非常高，使得輸入的偏置電流隨輸入電壓的變化非常小，

8、對差分信號放大不會產(chǎn)生太大影響。輸入偏置電流是儀表放大器輸入三極管所必須的電流，電路設(shè)計時必須保證偏置電流有接地的回路，如果電路中沒有輸入偏置電流通道，傳感器的輸入將處于浮電位狀態(tài)，而浮電位值很可能超過放大器所能夠允許的共模電壓范圍，使輸入放大器飽和而失去放大功能。針對實際的應(yīng)用情況，輸入偏置電流回路設(shè)置可以采用三種基本形式，分別如圖4、5、6所示。其中4為差分信號源阻抗較高時常用的形式，圖中的兩個接地電阻相等，以保證較高的共模抑制比和減小偏置電流對失調(diào)的影響；圖5為信號源阻抗較低時采用的形式（如熱電偶）；圖6為對稱結(jié)構(gòu)常用的形式。從圖4、5、6的三種結(jié)構(gòu)可知，在輸入通道設(shè)置偏置回路是通過在差

9、分輸入端與地之間接適當(dāng)電阻實現(xiàn)的，具體電阻值的大小根據(jù)實際情況而定。4.2 輸入共模電壓范圍的設(shè)置儀表放大器對共模信號有較強的抑制作用，例如INA326，共模抑制比可高達(dá)114dB，但這是在放大倍數(shù)、輸入共模電壓在一定范圍內(nèi)以及輸入共模電壓的頻率較低的條件下才可以達(dá)到的。而所放大的差分信號，是指儀表放大器的兩個輸入端對地所存在的差值。圖7是一個典型的惠斯通電橋應(yīng)用電路，橋路供電電壓為10V，橋臂電阻如圖7中所示。根據(jù)其中的條件可以得到共模電壓值為5V，而差模電壓的大小為0.005V，經(jīng)過儀表放大器差分運算后輸出為對地的單端信號。其中共模電壓由于儀表放大器的高共模抑制比而不能通過，放大的是兩輸入

10、端的差模電壓。儀表放大器抑制的共模信號既可以是交流信號也可以是直流信號，但這是受一定條件限制的，并非任何情況下的共模信號通過時都有同樣的抑制比，選擇時應(yīng)注意相應(yīng)的應(yīng)用范圍。其一，輸入共模電壓的范圍與供電電壓有關(guān)，在輸入共模電壓大約小于供電電壓1.25V左右時，才有較理想的抑制比。一般儀表放大器的供電電壓允許在很大的范圍內(nèi)變化，在一定的應(yīng)用場合下，如果共模電壓較大時，相應(yīng)儀表放大器要選擇較高的供電電壓才能獲得理想的效果。如圖7中共模電壓為5V，則儀表放大器的電源電壓應(yīng)為6.25V以上，否則不能將儀表放大器作為前置信號放大級。其主要原因是儀表放大器的前面一組放大器A1、A2容易飽和。其二，輸入共模電壓抑制能力與共模電壓的頻率相關(guān)，頻率越高，抑制效果越差。其三，共模電壓的抑制能力與增益大小相關(guān)，在低增益工作段，共模抑制能力較差；在1000左右的放大倍數(shù)，共模抑制能力較好。需要特別注意的是，有時當(dāng)輸入共模電壓