儀yi表biao放fang大da器qi是shi一yi種zhong具ju有you差cha分fen輸shu入ru和he相xiang對dui參can考kao端duan單dan端duan輸shu出chu的de閉bi環huan增zeng益yi單dan元yuan。大da多duo數shu情qing況kuang下xia，儀yi表biao放fang大da器qi的de兩liang個ge輸shu入ru端duan阻zu抗kang平ping衡heng並bing且qie阻zu值zhi很hen高gao
，典dian型xing值zhi≥109 Ω。其輸入偏置電流也應很低

，典型值為 1 nA至 50 nA。與運算放大器一樣
，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。yunsuanfangdaqidebihuanzengyishiyouqifanxiangshuruduanheshuchuduanzhijianlianjiedewaibudianzujueding。yufangdaqibutongdeshi，yibiaofangdaqishiyongyigeneibufankuidianzuwangluo

，tayuqixinhaoshuruduangeli 。duiyibiaofangdaqidelianggechafenshuruduanshijiashuruxinhao，qizengyijikeyouneibuyuzhi，yekeyouyonghutongguoyinjiaolianjieyigeneibuhuozhewaibuzengyidianzuqishezhi，gaizengyidianzuqiyeyuxinhaoshuruduangeli。

 

 

專(zhuan)用(yong)的(de)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)價(jia)格(ge)通(tong)常(chang)比(bi)較(jiao)貴(gui)，於(yu)是(shi)我(wo)們(men)就(jiu)想(xiang)能(neng)否(fou)用(yong)普(pu)通(tong)的(de)運(yun)放(fang)組(zu)成(cheng)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)？答(da)案(an)是(shi)肯(ken)定(ding)的(de)。使(shi)用(yong)三(san)個(ge)普(pu)通(tong)運(yun)放(fang)就(jiu)可(ke)以(yi)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)儀(yi)用(yong)放(fang)大(da)器(qi)。電(dian)路(lu)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)：

 

 

輸出電壓表達式如圖中所示。

 

看到這裏大家可能會問上述表達式是如何導出的？ 為何上述電路可以實現儀表放大器？下麵我們就將探討這些問題。在此之前，我們先來看如下我們很熟悉的差分電路：

 

 

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

 

這zhe一yi電dian路lu提ti供gong了le儀yi表biao放fang大da器qi功gong能neng，即ji放fang大da差cha分fen信xin號hao的de同tong時shi抑yi製zhi共gong模mo信xin號hao
，但dan它ta也ye有you些xie缺que陷xian。首shou先xian，同tong相xiang輸shu入ru端duan和he反fan相xiang輸shu入ru端duan阻zu抗kang相xiang當dang低di而er且qie不bu相xiang等deng。在zai這zhe一yi例li子zi中zhongVIN1反相輸入阻抗等於 100 kΩ
，而VIN2同相輸入阻抗等於反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此，當電壓施加到一個輸入端而另一端接地時
，差分電流將會根據輸入端接收的施加電壓而流入。（這種源阻抗的不平衡會降低電路的CMRR。）

 

另外，這一電路要求電阻對R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑製。例如，當增益等於 1 時
，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中隻要有一隻電 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。

 

為解決上述問題，我們在運放的正負輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

 

 

以上前置的兩個運放作為電壓跟隨器使用
，我們現在改為同相放大器，電路如下所示：

 

 

輸出電壓表達式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益（A1 和 A2）時
，它對差分信號增加相同的增益
，也對共模信號增加相同的增益。也就是說，上述電路相對於原電路共模抑製比並沒有增加。

 

下麵
，要開始最巧妙的變化了！看電路先：

 

 

這種標準的三運放儀表放大器電路是對帶緩衝減法器電路巧妙的改進。像前麵的電路一樣
，上圖中A1 和A2 運算放大器緩衝輸入電壓。然而
，在這種結構中，單個增益電阻器RG連接在兩個輸入緩衝器的求和點之間，取代了帶緩衝減法器電路的R6和R7。由於每個放大器求和點的電壓等於施加在各自正輸入端的電壓
，因此，整個差分輸入電壓現在都呈現在RG兩端。因為輸入電壓經過放大後（在A1 和A2的輸出端）的差分電壓呈現在R5，RG和R6這三隻電阻上，所以差分增益可以通過僅改變RG進行調整。

 

這種連接有另外一個優點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設定後，在改變增益時不再對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）由於RG兩端的電壓等於VIN，所以流過RG的電流等於VIN/RG
，因此輸入信號將通過A1 和A2 獲得增益並得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會在RG上產生電流。由於沒有電流流過RG（也就無電流流過R5和R6）
，放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此
，共模信號將以單位增益通過輸入緩衝器，而差分電壓將按〔1+（2 RF/RG）〕的增益係數被放大。這也就意味著該電路的共模抑製比相比與原來的差分電路增大了〔1+（2 RF/RG）〕倍！

 

在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益（由RG來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號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
，這是一個非常有用的特性。

 

最(zui)後(hou)，由(you)於(yu)結(jie)構(gou)上(shang)的(de)對(dui)稱(cheng)性(xing)，輸(shu)入(ru)放(fang)大(da)器(qi)的(de)共(gong)模(mo)誤(wu)差(cha)，如(ru)果(guo)它(ta)們(men)跟(gen)蹤(zong)，將(jiang)被(bei)輸(shu)出(chu)級(ji)的(de)減(jian)法(fa)器(qi)消(xiao)除(chu)。這(zhe)包(bao)括(kuo)諸(zhu)如(ru)共(gong)模(mo)抑(yi)製(zhi)隨(sui)頻(pin)率(lv)變(bian)換(huan)的(de)誤(wu)差(cha)。上(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)便(bian)是(shi)這(zhe)種(zhong)三(san)運(yun)放(fang)結(jie)構(gou)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)解(jie)釋(shi)。

 

到這裏，我們導出了這個經典電路的;來龍去脈： 差分放大器--》前置電壓跟隨器--》電壓跟隨器變為同相放大器--》三運放組成的儀用放大器。

 

 

用分離元件構建儀表放大器（ＩＡ）需要花費很多的時間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑製比（ＣＭＲ）的重要性，這裏以惠斯通電橋變送器來進行說明，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣
，在空載條件下，對“電橋”進行計算可得：

 

 

Ｖ１＝Ｖｅｘ（Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ１）），Ｖ１＝５ＶＶ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ變送器輸出就是電橋兩個輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個激勵加在電橋的４個活動臂上，並使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω
，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω
，Ｖｅｘ＝１０Ｖ
，那麼可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實際上
，人們所關心的信號是：

 

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過對共模電壓（ＣＭＶ）進行計算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等於（Ｖ１＋Ｖ２
，／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

 

上述計算表明，在有大的共模信號時，測量一個微弱的電壓信號比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過測量兩個較大的電壓信號Ｖ２與Ｖ１來獲得，這兩個電壓均可在伏特級。

 

 

儀表放大器專門精密差分 電壓放大器，它源於運算放大器，且優於運算放大器。儀表放大器把關鍵元件集成在放 大器內部，其獨特的結構使它具有高共模抑製比、高輸入阻抗、低噪聲

、低線性誤差
、 低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點
，使其在數據采集、傳感器信號放大、高速 信號調節、醫療儀器和高檔音響設備等方麵倍受青睞。

 

 

運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，如圖3-1所示，其中標有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端），另一隻標有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負端
，如果先後分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相
，而與反相輸入端的信號反相。

 

 

運算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖3-1所示。運算放大器有一些非常有意思的特性
，靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途，總的來說
，這些特性可以綜合為兩條：

 

1、運算放大器的放大倍數為無窮大。

 

2
、運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。

 

 

現在我們來簡單地看看由於上麵的兩個特性可以得到一些什麼樣的結論。

 

首(shou)先(xian)，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)放(fang)大(da)倍(bei)數(shu)為(wei)無(wu)窮(qiong)大(da)
，所(suo)以(yi)隻(zhi)要(yao)它(ta)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)不(bu)為(wei)零(ling)，輸(shu)出(chu)端(duan)就(jiu)會(hui)有(you)與(yu)正(zheng)的(de)或(huo)負(fu)的(de)電(dian)源(yuan)一(yi)樣(yang)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)本(ben)來(lai)應(ying)該(gai)是(shi)無(wu)窮(qiong)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)
，但(dan)受(shou)到(dao)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)限(xian)製(zhi)。準(zhun)確(que)地(di)說(shuo)
，如(ru)果(guo)同(tong)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)輸(shu)入(ru)的(de)電(dian)壓(ya)比(bi)反(fan)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)輸(shu)入(ru)的(de)電(dian)壓(ya)高(gao)，哪(na)怕(pa)隻(zhi)高(gao)極(ji)小(xiao)的(de)一(yi)點(dian)
，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)就(jiu)會(hui)輸(shu)出(chu)一(yi)個(ge)與(yu)正(zheng)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya);反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓（如果運算放大器用的是單電源
，則輸出電壓為零）。

 

其次，由於放大倍數為無窮大，所以不能將運算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端（稱為負反饋）來降低它的放大倍數。如圖1-3中左圖所示，R1dezuoyongjiushijiangshuchudexinhaofanhuidaoyunsuanfangdaqidefanxiangshuruduan，youyufanxiangshuruduanyushuchudedianyashixiangfande，suoyihuijianxiaodianludefangdabeishu
，shiyigefufankuidianlu
，dianzuRf也叫做負反饋電阻。

 

 

還有，由於運算放大器的輸入為無窮大，所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它(ta)隻(zhi)接(jie)受(shou)電(dian)壓(ya)。同(tong)樣(yang)，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)想(xiang)象(xiang)在(zai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)同(tong)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)與(yu)反(fan)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)之(zhi)間(jian)是(shi)一(yi)隻(zhi)無(wu)窮(qiong)大(da)的(de)電(dian)阻(zu)，那(na)麼(me)加(jia)在(zai)這(zhe)個(ge)電(dian)阻(zu)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)是(shi)不(bu)能(neng)形(xing)成(cheng)電(dian)流(liu)的(de)
，沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)，根(gen)據(ju)歐(ou)姆(mu)定(ding)律(lv)，電(dian)阻(zu)兩(liang)端(duan)就(jiu)不(bu)會(hui)有(you)電(dian)壓(ya)，所(suo)以(yi)我(wo)們(men)又(you)可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)在(zai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)兩(liang)個(ge)輸(shu)人(ren)端(duan)電(dian)壓(ya)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)（電壓在這種情況就有點像用導線將兩個輸入端短路，所以我們又將這種現象叫做“虛短”）。

 

 

單電源工作的運放需要外部提供一個虛地，通常情況下
，這個電壓是VCC/2
，圖二的電路可以用來產生VCC/2的電壓，但是他會降低係統的低頻特性。

 

 

R1 和R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容C1 是一個低通濾波器
，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應用中可以忽略緩衝運放。

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