仪表放大器的应用技巧(摘)
长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单 电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对於单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪 表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一 端或地电位相差100mV(或小於100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～
V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能 与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能 提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源 器件低。
电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情 况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很 重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。
图1、电源旁路的推荐方法
图2、一个没有输入接地返回的AC耦合仪表放大器电路
通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对於每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。
1.输入接地返回的重要性
当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性 耦合时。图2示出这样一个电路。这里，输入偏置电流快速对电容器C1和C2充电直到仪表放大器的输出“极端”，达到电源电压或地电位。
图3、每个输入端和地之间的高阻值电阻器提供一个有效的DC返回路程
解决上述问题的方法是在每个输入端和地之间添加一个高阻值电阻器(R1，R2)，如图3所示。输入偏置电流现在可以自由流入地并且不会像以前那样产 生大输入失调。在过去的电子管电路中，产生类似的效应，需要在栅极(输入)和地之间使用一个栅极 漏电阻以放空积累的电荷(栅极上的电子)。
2.AC输入耦合
再看图3，R1和R2的实际值通常为1MΩ(或小於MΩ)。电阻值的选择是在失调误差和电容值之间的一个折衷。输入电阻越大，由於输入失调电流引起的输入失调电压越大。失调电压漂移也会增加。
当R1和R2选用较低的电阻值时，C1和C2必须使用越高的输入电容值以提供相同的-3dB转折频率
F-3dB=1/(2πR1C1)，这里R1=R2并且C1=C2
除非AC耦合电容器的输入端出现大的DC电压，否则应当使用非极性电容器。因此，为了保持器件的尺寸尽可能小，C1和C2应为0.1μF 或更小。
通常，电容值越小越好，因为这样成本会降低并且尺寸会减小。输入耦合电容器的额定工作电压需要足够高以避免因任何可能发生的高输入瞬态电压而造成的击穿。
3.阻容元件匹配
由於(IB1R1)-(IB2R2)=ΔVOS，R1和R2之间的任何不匹配都将引起输入失调不平衡(IB1-IB2)，产生输入失调电压误差。一条有用的规则是保持IBR<10mV。
表1、为AC耦合仪表放大器输入推荐的阻容元件值
ADI公司仪表放大器的输入偏置电流根据其输入结构不同而变化很大。但是，大多数的最大输入偏置电流都在1.5nA和10nA之间。表1给出采用1%金属薄膜电阻器用於AC耦合的典型的阻容值以及每个输入的偏置电流值。
图4、为变压器耦合输入推荐的DC返回路径
图4示出一个为变压器耦合输入推荐的DC返回路径。
4.电缆终端
当在几百千赫(kHz)以上频率条件下使用仪表放大器时，应当在其输入端和输出端连接阻抗合适的50Ω或75Ω 同轴电缆。正常地，电缆终端应当在同轴电缆中心导线与其末端的遮罩线之间简单地连接一苹50Ω或75Ω的电阻器。应当注意的是，为了驱动这些负载到有用的 电平，可能需要一个缓冲放大器。
1.防ESD和DC过载的输入保护
作为用於数据采集系统的介面放大器，仪表放大器经常要遇到输入过载，即电压幅度超过所选择增益范围的满度值或甚至超过电源电压。这些过载一般分为两 类∶稳态过载和瞬态过载(ESD等)，後者发生在仅几分之一秒的时间内。对於三运放仪表放大器设计，当以低增益(10或10以下)工作，增益电阻器作为限 流元件与它们的电阻输入串联。当在高增益条件下，由於RG的阻值较低可能不能完全保护输入端免受过载电流的侵害。
标准的做法是在每个输入端都接限流电阻器，但加上这种保护也增加了电路的噪声。因此在提供的保护作用和引起的电阻器噪声(约翰逊噪声)增加之间需要一种合理的权衡。使用具有高抗噪声能力的仪表放大器能够允许较大的串联保护而不会严重增加其总电路噪声。
当然，增加的噪声越少越好，但一条有用的规则是需要这种额外保护的电路能够很容易地允许电阻值产生30%总电路噪声。例如，一个使用具有20nV/Hz1/2额定噪声的仪表放大器的电路能够允许6nV/Hz1/2的附加约翰逊噪声。
使用下面的试选法将这个数据转换为实际电阻值。1kΩ电阻器的约翰逊噪声大约是4nV/Hz1/2。这个值随电阻值的平方根变化。因此，20kΩ电 阻器的噪声是1kΩ电阻器的201/2倍，为17.88nV/Hz1/2(4.4721×4nV/Hz1/2)。由於两个输入端都需要保护，因而需要两苹 电阻器，并且它们的组合噪声按电阻器个数的平方根增加(平方和的平方根)。在这种情况下，两个20kΩ电阻器增加的总噪声为
25.3nV/Hz1/2 (17.88×1.414)。
图5、AD8221仪表放大器输入电路
图5示出AD8221仪表放大器输入结构的详细电路。如图5所示，它具有与每个输入二极管串联的内部400Ω电阻器。
AD8221适合处理6mA稳态(或DC)最大输入电流。其内部电阻器和二极管将保护器件避免输入电压高於正电源0.7V，或低於负电源(6mA× 0.4kΩ)2.4V。因此，对於±15V电源，最大安全输入电压幅度是+15.7V，-17.4V。如果要扩大这个安全输入电压幅度，可以增加外部串联 电阻器，但要以增大电路噪声为代价。
AD8221仪表放大器是一种噪声极低的器件，最大值(eNI)为8nV/Hz1/2。一苹1kΩ电阻器会增加大约107nV/Hz1/2的噪声。这会将最大DC电平上升到高於每个电源电压大约22.5V，对於±15V电源上升到±37.5V。
图6、AD620系列（AD620，AD621，AD622）仪表放大器输入电路
图6示出AD620仪表放大器的输入级。它非常相似於AD8221∶都使用一个400Ω电阻器与每个输入端串，并且都使用二极管保护。主要的不同是 AD8221有四个附加的二极管，其中一组连接在每个输入端和正电之间，另一组连接在每个输入三极管的基极和负电源之间。AD620使用其400Ω内部电 阻器和一组二极管防止负输入电压。对於正电压过载，它依靠其自身的基极-射极输入结作为箝位二极管。
图7、AD627仪表放大器输入电路
AD627能够耐受20mA瞬态输入电流(见图7)。另外，它具有内置2kΩ电阻并且能处理高於其电源电压40V(20mA×2kΩ)的输入电压。 这种保护十分有用。由於其低功耗，AD627的许多应用使用低电压单电源。如果需要更大的保护，可增加非常大的外部电阻器而不会使AD627的 38nV/Hz1/2噪声严重变坏。在这种情况下，增加两苹5kΩ电阻器使电路的噪声大约增加13nV/Hz1/2(30%)，但会提供一个额外的± 100V 瞬态过载保护。
图8、AD623仪表放大器输入电路
图8示出AD623仪表放大器的输入电路。在这个设计中，内部(ESD)二极管放置在输入电阻之前，因而提供的保护作用比其他设计要小。AD623 可耐受10mA最大输入电流，但在许多情况下，需要一些外部串联电阻器保持输入电流低於这个水准。由於AD623的器件噪声大约是35nV/Hz1/2， 这里可增加达5k的外部电阻器以提供50VDC过载保护，而总输入噪声仅增加到38nV/Hz1/2。
2.用外接二极管对输入保护
利用附加外部箝位二极管可增加器件输入保护，如图9所示。由於使用了大电流二极管，所以增加了输入保护，它允许使用阻值降低许多的输入保护电阻器，从而也减小了电路噪声。
不幸的是，大多数普通二极管(肖特基二极管，矽二极管等)都具有很高的 漏电流，从而会在仪表放大器的输出端产生很大的失调误差；这种漏电流与温度呈指数关系增加。这样势必导致在采用具有高阻抗源的仪表放大器的应用中取消外部二极管的使用。
虽然现在有了漏电流降低很多的特殊二极管，但是通常很难找到而且也很贵。对於绝大多数应用，限流电阻器是唯一能够对於ESD和较长时间输入瞬态过载提供充分保护的方案。
图9、使用外部元件体增加输入保护
尽管有这些限制，在一些特殊应用中经常需要外部二极管，例如电子除颤器，它利用短脉宽、高电压。可能需要外部二极管和非常大的输入电阻器(达 100kΩ)结合使用以充分保护仪表放大器。为了保证外部二极管在仪表放大器的内部保护二极管开始吸收电流之前开始传导良好，检查二极管的技术指标是一个 好办法。尽管它们提供良好的输入保护，但是标准肖特基二极管的漏电流高达几毫安培(mA)。但
是，在图9的例子中，可使用快速肖特基势垒整流器，例如，国 际整流器公司的SD101系列产品；这些器件具有200nA最大漏电流和400mW 典型功耗。
3.防ESD和瞬态过载的输入保护
保护仪表放大器输入不受高电压瞬态过载和ESD事件的损害对於电路的长期可靠性是非常重要的。功耗通常是输入电阻器的一个重要因素，无论内部电阻器还是外部电阻器，必须能够有效地处理输入脉冲大多数的功率。
虽然ESD事件可能是极高电压，但它们通常是非常短的脉宽而且往往是一次性事件。由於电路在下一个事件发生前有大量时间去冷却，因而适度的输入保护足以保护使器件不受破坏。
另 一方面，经常发生的短脉宽输入瞬态过载很容易过热并且烧断输入电阻或仪表放大器输入级。一苹1kΩ电阻器，与仪表放大器输入端串联吸收20mA的电流，功 耗为0.4W，通过一个标准的0.5W或更大的表面安装电阻很容易处理。如果输入电流加倍，功耗增为原来的4倍，因为它与输入电流的平方(或施加电压的平 方)成正比。
尽管使用一苹较大功率保护电阻器是一件简单的事，但这是一个危险的做法，因为仪表放大器的输入级功耗也会增加。这很容易导致器件失效。除了ESD事件，最好总是采用保守的办法并且全脉宽输入时处理所有瞬态输入信号。
要期望这些设计能够起到长期保护作用，必须使用足够大阻值的电阻器保护仪表放大器的输入电路避免失效，并且使用足够大功率的电阻器防止烧毁电阻器。
现代仪表放大器的性能不断改进，从而以更低成本为用户提供不断提高的精度和多功能。尽管提高了这些产品性能，但仍存在一些严重影响器 件精度的基本应用问题。现在低成本、高解析度ADC已经被普遍使用，如果仪表放大器被用作ADC前端的前置放大器，那麽系统设计工程师需要保证能与ADC 匹配的仪表放大器的精度。
1.对最低限失调电压漂移的设计
失调电压漂移误差不仅包括那些与使用的有源器件(IC仪表放大器或采用运放组成分立的仪表放大器)相关的误差，而且包括电路元器件或布线中的热电偶 效应。仪表放大器的输入偏置失调和输入失调电流流过不平衡的源阻抗也会产生附加的失调误差。在用单独的运放组成的仪表放大器设计中，这些误差随温度增加， 除非使用精密运放。
2.对最低限增益漂移的设计
当考虑增益误差时，经常忽视PCB布线，电路的温度梯度，以及任何外部增益电阻器的特性对增益误差的影响。如果需要高DC精度，增益电阻器的最大允 许误差，它的温度系数，该电阻器相对於同一增益网络中其他电阻器的物理位置，以及甚至其物理方向(垂直或水准)都是重要的设计考虑。
表2、推荐的串联保护电阻值
在许多ADC前置放大器电路中，仪表放大器的增益通过一个用户选择的外部电阻器来设置，因此这只电阻器的最大允许误差以及它对温度的变化，就像IC 内置的电阻器一样会影响电路的增益精度。常用的电阻器包括通孔插装的1% 1/4W金属薄膜电阻器和1% 1/8W晶片电阻器。这两种类型的电阻器具有典型的100ppm/℃温度系数(TC)。但是，有些晶片电阻器会具有200ppm/℃或甚至 250ppm/℃的TC。
甚至在使用1% 100ppm/℃的电阻器时，仪表放大器的增益精度也会下降。电阻器的初始室温精度仅为±1%，对於每℃的温度变化，电阻器会漂移0.01% (100ppm/℃)。初始增益误差很容易利用软件方法减去，但是为了修正对温度的误差，需要不断重新校准(并且包括温度传感器)。
如果电路经过初始校准，对於10℃温度变化，总增益精度减小到大约10bit(0.1%)精度。因此甚至在12bit ADC前端，也从未使用外接1%标准金属薄膜增益电阻器的仪表放大器∶它会破坏14bit或16bit ADC的精度。
图10、输入信号幅度引起增益误差的例子
与外部电阻器相关的附加的误差源也会影响增益的精度。首先是由输入信号幅度产生的电阻器发热导致的误差。图10示出的一个简单的运放电压放大器就是一个实例。
在零信号条件下，没有输出信号，电阻器不会发热。但是当施加一个输入信号时，一个被放大的电压信号就会出现在该运放的输出端。当放大器工作在有增益 条件下，电阻器R1的阻值要比R2大。这意味著加在R1两端上的电压要大於加在R2两端上的电压。每只电阻器的功耗等於该电阻器两端电压的平方除以其电阻 值。因此，该电阻器的功耗和其内部发热会随电阻值成比例增加。
在这个例子中，R1为9.9kΩ，R2为1kΩ。因此，R1的功耗是R2的9.9倍。这会导致一个随输入幅度变化的增益误差。使用具有不同TC的电 阻器也会引起增益误差。甚至当使用TC匹配的电阻器时，随输入信号幅度变化的增益误差仍会发生。使用较大阻值(即较高功率)的电阻器会减少这些影响，但精 密的低TC功率电阻器很贵并且也很难找到。
图11、采用大阻值、低TC回馈电阻器组成的三运放放大器
当使用一个分立三运放仪表放大器时，如图11所示，这些误差将被减少。在三运放仪表放大器中，有两个反馈电阻器R1和R2，以及一个增益电阻器 RG。由於仪表放大器使用两个反馈电阻器而运放只使用一个，仪表放大器的每一苹电阻器仅有一半的功耗(对於相同增益)。单片仪表放大器，例如AD620， 通过使用较大阻值(25kΩ)的反馈电阻器，提供了进一步的优点。对於一个给定的增益和输出电压，大反馈电阻器的功耗较小(即，P=V2/RF)。
当然，一个分立仪表放大器也可设计成使用大阻值、低TC电阻器，但会增加成本和复杂性。另一个没那麽严重但仍很显著的误差源是所谓的热电偶效应，有 时也称为热EMF。这发生在当两种不同的导体(例如，铜和金属薄膜)连接在一起时。当这种双金属结点被加热，就会产生一个简单的热电偶。当使用相同的金属 时，例如铜-铜结点，可产生达0.2mV/℃的热电误差电压。热电偶效应的例子如图12所示。
图12、分立电阻器内部的热电偶效应
最後一个误差源是当外部增益电阻器两端有温度梯度时产生的。为了节省PCB面积，将电阻器直立安装在PCB的简单情况，总会在电阻器两端产生温度梯 度。将电阻器平放在PCB上会解决这个问题，除非空气沿电阻的轴向流动(气流冷却电阻器的那一端要比另一端的温度低)。安装电阻器时使其轴向垂直於气流方 向可将这种温度影响减到最小。
3.实际解决方案
概括起来，单片仪表放大器使用外部电阻器时会产生许多DC失调和增益误差。分立设计往往会出现更大的误差。对於这个问题有三种实际解决方案∶采用优质的电阻器，使用软件修正，最好的方案仍然是采用所有增益电阻器都在片内的仪表放大器，例如AD621。
方案1∶采用优质的增益电阻器
通常，假定经过一些初始校准，使用普通的1%电阻器仅可能获得12bit或13bit的增益性能。解决这个问题的一种有用的方案是采用优质的电阻 器。采用0.1% 1/10W表面安装电阻会显著提高性能。除了具有提高10倍的初始精度，其TC典型值仅25ppm/℃，在10℃温度范围内会提供优於13bit的精度。
如果需要更高的增益精度，有专业公司出售的具有较低TC的电阻器，但通常都是很贵的军品。
方案2∶采用固定增益的仪表放大器
到目前为止，采用所有电阻器都包含在IC内的单片仪表放大器(例如，AD621或AD8225)可提供最佳的总体DC性能。这样，所有电阻器都具有相同的TC，都处於实际上相同的温度，并且晶片的任何温度梯度都非常小，所以保证增益误差漂移并且达到非常高的标准。
在增益为10的条件下，AD621保证具有小於2.5μV/℃的DC失调漂移最大值和±5ppm/℃增益漂移最大值，即仅0.0005%/℃。
AD8225是一种固定增益为5的仪表放大器。它具有2μV/℃失调漂移最大值和0.3μV/℃漂移最大值。
另一个重要的设计考虑是电路增益如何影响许多仪表放大器误差源，例如，DC失调和噪声。仪表放大器应该看作是具有输入级和输出级的两级放大器。每级都有它自己的误差源。
由於输出级的误差要乘以一个固定增益(通常为2)，在低电路增益条件下，这一级经常是主要的误差源。当仪表放大器工作在较高增益时，输入级的增益也提高。由於增益提高，输入级贡献的误差被放大，而输出级误差没变。因此，在高增益条件下，输入级误差起主要作用。由於不同的技术指标表上的器件技术指标经常涉及到不同类型的误差，对於粗心的工程师很容易在产品之间做出不正确的比较。技术指标中可能会列出以下四类基本误差∶输入误差，输出误差，RTI总误差和RTO总误差。这里试图给出便於简化的解释，而不是一些复杂的定义。
输入误差是由於放大器的输入级单独贡献的误差；输出误差是由於放大器的输出级引起的误差。我们常常将与输入端相关的误差分类和组合在一起，称作折合到输入端(RTI)误差，而将所有与输出端相关的误差则称之为折合到输出端(RTO)误差。
对於给定的增益，仪表放大器的输入误差和输出误差可使用以下公式计算∶
RTI总误差= 输入误差 + 输出误差/增益
RTO总误差= 增益×输入误差 + 输出误差
有时技术指标页会列出一个对於给定增益的RTI或RTO的误差项。在其他情况下，则需要用户根据要求的增益计算误差。
1.失调误差
以AD620A为例，可以利用在AD620A的技术指标页中列出的具体误差计算工作在增益为10时的总失调电压误差。因为表中列出AD620(VOSI)的输入失调电压典型值为30μV，它的输出失调电压(VOSO)为400μV，所以RTI总失调电压等於∶
RTI总误差= VOSI＋(VOSO/G)
= 30μV＋(400μV/10)
= 30μV＋40μV
=70μV
RTO总失调电压等於∶
RTO总误差=G×VOSI＋VOSO
= 10×30μV＋400μV
= 700μV
应当注意RTO误差值比RTI误差值大10倍。从逻辑上讲，这应当是对的。因为当增益为10时，该仪表放大器的输出误差应当是其输入
误差的10倍。
2.噪声误差
仪表放大器的噪声误差也需要用类似的方式考虑。因为典型的三运放仪表放大器的输出级工作在单位增益，输出级的噪声贡献通常非常小。但也有输出级工作 在较高增益的三运放仪表放大器，并且双运放仪表放大器中通常第二个放大器工作在增益条件下。当工作在增益条件下的某一级，其噪声随输入信号一起被放大。除 了两级的噪声按均方根相加，RTI和RTO噪声误差的计算方法与失调误差的计算方法相同。
真实世界应用必须处理不断增加的射频干扰(RFI)。特别要考虑信号传输线路长并且信号强度低的情况。这是仪表放大器的典型应用，因为其固有的CMR性能允许仪表放大器提取叠加在很强的共模噪声和干扰信号上的微弱差分信号。
但是，一个经常被忽视的潜在问题是仪表放大器内部的射频(RF)整流。当有很强的RF干扰存在时，它可能被IC整流之後会表现为DC输出失调误差。仪表放大器的CMR能力通常会大大减小出现在其输入端的共模信号。
不幸的是，发生RF整流是因为即使最好的仪表放大器在20kHz以上的频率条件下事实上没有CMR能力。很强的RF 信号首先被仪表放大器的输入级整流，然後表现为DC失调误差。一旦被整流，其输出端的低通滤波怎麽也不能去除这个误差。如果RFI是断续性的，这会导致无 法检测的测量误差。
1.设计实用的RFI滤波器
最实用解决方案是通过使用一个差分低通滤波器在仪表放大器前提供RF衰减滤波器。该滤波器需要完成三项工作∶尽可能多地从输入端去除RF能量，保持每个输入端和地之间的AC信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。图13 示出一个用於多种差分RFI滤波器的基本单元电路。图中选用的元器件值适合AD8221，它的-3dB带宽典型值为1MHz和电压噪声典型值为 7nV/Hz1/2。该滤波器除了提供对RFI抑制，还提供附加的输入过载保护，因为电阻器R1a和R1b帮助把仪表放大器的输入电路
与外部信号源隔离。
图14是一个RFI电路原理图。它示出一个由电桥电路组成的滤波器，它的输出端接到该仪表放大器的两个输入端。因为，C1a/R1a和
C1b/R1b时间常数的任何不匹配都会使电桥不平衡并且降低高频共模抑制。所以，电阻器R1a和R1b以及电容器C1a和C1b应当总是相等。如 图14中所示，C2跨接电桥输出端以便C2有效地与C1a和C1b的串联组合并联。这样连接，C2非常有效地减小了由於不匹配造成的
任何AC CMR误差。例如，如果C2比C1大10倍，那麽它能将由於C1a/C1b不匹配造成的CMR误差降低20倍。注意，该滤波器不影响DC CMR。
RFI滤波器有两种不同的带宽∶差分带宽和共模带宽。差分带宽定义为当差分输入信号施加到电路的两个输入端(+IN 和-IN)时滤波器的频率响应。RC时间常数由两个阻值相等的输入电阻器(R1a，R1b)之和，以及与C1a和C1b的串联组合并联的差分电容器C2一 起决定。 该滤波器的-3dB差分带宽(BW)为∶共模带宽定义为连接在一起的两个输入与地之间出现的共模RF信号。认识到C2不影响共模RF 信号
的带宽很重要，因为这个电容是连接在两个输入端之间(有助於使它们保持在相同的RF信号幅度)。因此，共模带宽由两个RC网络(R1a/C1a 和 R1b/C1b)对地的并联阻抗决定。
-3dB共模带宽等於∶
采用如图13的电路，C2值为0.01μF，-3dB差分信号带宽大约为1,900Hz。当工作在增益为5条件下，在10Hz～20MHz频率范围内电路测量到的RTI DC失调漂移小於6μV。当工作在单位增益条件下，没有可测量的DC失调漂移。
图13、用於防止RFI整流误差的低通滤波器电路
RFI滤波器应使用两面都有地线层的PCB制作。所有元器件引脚应尽可能短。输入滤波器的地应采用最直接的路径连接到放大器的地。避免在分开的 PCB上或单独的外壳内制作滤波器和仪表放大器电路，因为这样额外的引线长度会产生一个环路天线。取而代之的是应当将这个滤波器置於仪表放大器自身的输入 端。进一步的措施是采用无电感和无发热(低TC)的优质电阻器。电阻器R1和R2可以采用普通的1%金属薄膜电阻器。但是，这三个电容器都需要采用高Q 值、低损耗电容器。电容器C1a和C1b需要采用±5%允许误差的电容器以避免降低电路的CMR。推荐采用传统的5%镀银云母电容，小型云母电容，或新型 的Panasonic 公司±2% PPS薄膜电容器(Digi-key公司产品型号PS1H102G-ND)。
2.用试选法选择RFI滤波器元件值
下述通用规则会非常容易地设计RC输入滤波器。
首先，确定两苹串联电阻器的阻值，同时保证前面的电路可充分地驱动这个阻抗。这两苹电阻器 的典型值在2kΩ和10kΩ之间，这两苹电阻器产生的噪声不应当大於该仪表放大器本身的噪声。采用一对2kΩ电阻器，约翰逊噪声会增加 8nV/Hz1/2；采用4kΩ电阻器，会增加11nV/Hz1/2；采用10kΩ电阻器，会增加18nV/Hz1/2。
图14、电容器C2与Cla/C1b并联可有效地降低由於C1a/C1b不匹配引起的AC CMR误差
其次，为电容器C2选择合适的电容值，它确定滤波器的差分(信号)带宽。在保证不衰减输入信号的条件下，这个电容值最好总是选择得尽可能低。10倍於最高信号频率的差分带宽通常就足够了。
最後，选择电容器C1a和C1b的电容值，它们设置共模带宽。对於可接受的AC CMR，其带宽应当等於或小於由C2电容值设置的差分带宽的10%。共模带宽应当总是小於仪表放大器单位增益带宽的10%。
3.具体的设计案例
(1)用於AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路
图15是一个用於通用仪表放大器的RFI电路，例如，AD620系列，它具有比AD8221高的噪声(12nV/Hz1/2)和低的带宽。
图15、用於AD620系列仪表放大器的RFI电路
相应地，采用了相同的输入电阻器，但电容器C2的电容值增加大约5倍达到0.047μF以提供足够的RF衰减。采用图中所示的元件值，该电路的- 3dB带宽大约为400Hz；通过将电阻器R1和R2的电阻值减至2.2kΩ，带宽可增加到760Hz。应当注意，不要轻易地增加带宽。它要求前面所述的 仪表放大器电路驱动一个较低阻抗的负载，从而导致输入过载保护能力会有些降低。
(2)用於微功耗仪表放大器的RFI抑制电路
有些仪表放大器比其他仪表放大器更易受RF整流的影响，可能需要更具鲁棒性的滤波器。微功耗仪表放大器，例如AD627就是一个好的例子，它具有低 输入级工作电流。简单地增加两个输入电阻器R1a和R1b的值或电容器C2的值，会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF衰减。
由於AD627仪表放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的噪声(38nV/Hz1/2)，所以可以使用较高的输入电阻器而不会严重降低电路的噪声性能。为了使用较高阻值的输入电阻器，我们对图13所示的基本RC RFI电路做了改进，如图16所示。
图16、用於AD627的RFI抑制电路
滤波器的带宽大约为200Hz。在增益为100的条件下，1Hz～20MHz输入范围内施加1Vp-p输入信号，RTI最大DC失调漂移大约为400μV。在相同增益条件下，该电路的RF信号抑制能力(输出端的RF幅度/施加到输入端的RF幅度)优於61dB。
图17、AD623 RFI抑制电路
(3)用於AD623仪表放大器的RFI滤波器
图17示出为使用AD623仪表放大器推荐的RFI抑制电路。因为AD623比AD627不容易受RFI影响，所以其输入电阻器可从20kΩ减小到 10kΩ；这增加了电路的信号带宽并且降低了电阻器的噪声作用。此外，10kΩ电阻器仍提供非常有效的输入保护。使用图示的元件值，该滤波器的带宽大约为 400Hz。在增益为100的条件下，1Vp-p输入信号的RTI最大DC失调电压小於1μV。在相同增益条件下，该电路的RF信号抑制能力优於 74dB。
(4)用於AD8225的RFI滤波器电路
图18、AD8225 RFI滤波器电路
图18示出为AD8225仪表放大器推荐的RFI滤波器电路。AD8225仪表放大器具有固定增益5并且比AD8221要易受RFI的影响。在不采 用RFI滤波器时，施加一个2Vp-p，10Hz～19MHz正弦波，测量该仪表放大器的RTI DC失调大约为16mV。采用更大阻值(用10kΩ替代4kΩ)的滤波器能提供比AD8221电路更大的RF衰减。由於AD8225具有较高的噪声，选用 较高的电阻值是允许的。在采用上述滤波器的相同测量条件下，没有可测量的DC失调误差。
(5)采用X2Y电容器的共模滤波器
图19示出X2Y电容器的接线图。它们是非常小的三端器件，具有四个外部接线端──A，B，G1和G2。其中G1和G2端在电容器内部连接。
图19、X2Y电容器的静电模型
X2Y电容器是由内部平板结构构成的一种集成电容器，提供很有趣的特性。从静电学角度看，它的三个电极板构成两个电容器，其中G1和G2接线端共 用。该器件制造工艺可自动地将这两个电容器匹配得非常接近。另外，X2Y电容器结构包括一个有效的自耦变压器(共模扼流圈)。因此，当这两个电容器用於共 模滤波器时，它们提供对高於滤波器转折频率的共模信号抑制能力优於可比的RC滤波器。采用X2Y电容器的滤波电路通常允许省略电容器C2，从而节省成本和 PCB面积。
图20a、传统的RC共模滤波器
图20b、采用X2Y电容器的共模滤波器
图20a示出一个传统的RC共模滤波器，而图20b则示出一个采用X2Y电容器的共模滤波器电路。图21是这两种滤波器的RF衰减对比。
(6)用於仪表放大器RFI滤波器的共模RF扼流圈
图21、X2Y共模滤波器与传统RC共模滤波器的RFI衰减对比
图22、采用民用共振RF扼流图的RFI抑制电路
一种民用的共模RF扼流圈作为RC输入滤波器的一种替代元件可连接到仪表放大器之前，如图22所示。共模扼流圈是一种采用公共磁芯的双绕组RF扼流 圈。任何对两个输入端共模的RF信号都将被扼流圈衰减。这种共模扼流圈提供了一种使用最少元件减小RFI的简单的方法，并且提供了一个更宽的信号通带，但 这种方法的有效性依赖於所使用的具体共模扼流圈的质量。应该最好选用内部匹配优良的扼流圈。使用扼流圈的另一个潜在问题是不具有像RC RFI滤波器那样能起到提高输入保护的作用。
使用AD620仪表放大器和专用的RF扼流圈，在增益为1,000条件下，对其输入施加一个1Vp-p共模正弦波，图22所示电路能将RTI DC 失调误差减少到小於4.5μV。该电路还可大大提高其高频CMR，见表3。
表3、图22所示电路的AC CMR 与频率的关系
因为有些仪表放大器比其他仪表放大器更易受RFI的影响，所以使用共模扼流圈有时可能会不合适。在这种情况下，RC输入滤波器是一个更好的选择。
图23示出一个用於测量RFI抑制的典型测试方案。为了测试这些电路的RFI抑制，使用非常短的导线将两个输入端连接在一起。通过一段50Ω终端电缆将一个优质的正弦波发生器连接到待测输入端。
图23、测量仪表放大器RFI抑制的典型测试方案
使用示波器调整信号发生器在电缆终端有1V峰峰值输出。设置仪表放大器工作在高增益(例如，100倍的增益)。仪表放大器的DC失调误差在其输出使 用数字电压表(DVM)可简便地直接读出。对於测量高频CMR，通过一个补偿的示波器探针将示波器连接到仪表放大器输出并且测量对输入频率的峰峰值输出电 压(即馈通)。当计算CMR与频率的关系时，请记住要考虑到输入端(VIN/2)和仪表放大器的增益(G)。
1.采用低通滤波提高信噪比
为了从有噪声的测量中取出数据，可使用低通滤波器通过除去信号带宽外的所有信号来大大提高测量的信噪比。在有些情况下，可使用带通滤波(减小低於和高於信号频率的响应)以便进一步提高测量解析度。
图24、用於资料获取的4极点低通滤波器
图24所示的1Hz，4极点有源滤波器是一个非常有效的低通滤波器的例子，通常把它加在被仪表放大器放大的信号之後。该滤波器以低成本提供高DC精 度同时需要的元器件数最少。应当注意的是，为提供1Hz以外的转折频率(见表4)，可简便地按比例改变元件值。如果首选2极点滤波器，那麽从第一个运放输 出就可以简单地得到。
表4、为1赫兹，4极点低通滤波器推荐的元件值
四运放(AD704或OP497)的低电流噪声、输入失调和输入偏置电流允许采用1MΩ电阻器而不会牺牲该运放的1μV/℃漂移。这样，可以使用较 低的电容值，从而可降低成本和元件尺寸。此外，由於这些运放的输入偏置电流像在大多数MIL军用温度范围内的输入失调电流一样低，因而很少需要使用标准的 平衡电阻器(及其减少噪声的旁路电容器)。但是应当注意，增加可选的平衡电阻器在高於100℃的温度条件下能提高性能。
表中给出的数据适合1.0Hz频率的-3dB带宽。对於其他频率，只需简便地按比例直接改变C1～C4的电容值；例如，对於3Hz频率贝塞尔响应，C1=0.0387μF，C2=0.0357μF，C3=0.0533μF，C4=0.0205μF。
2.外部调整CMR和建立时间
图25、用於分立三运放仪表放大器的外部DC CMR和AC CMR调整电路
当需要非常高速、宽带宽仪表放大器时，一种常用的方法是使用几个仪表放大器或一个复合仪表放大器和一个高带宽减法放大器。这些分立设计通过外部调整 可以很容易调节以便获得最佳的CMR性能。一种典型的电路如图25所示。应当总是首先调整DC CMR，因为它在所有频率条件下都影响CMR。
+VIN和-VIN端应连接在一起并且在两个输入端和地之间施加一个DC输入电压。应当先调整这个电压以提供10VDC输入。然後调整DC CMR 微调电位器以便在输入端施加正DC电压和负DC电压时使输出电压相等并且尽可能低。用类似方法完成AC CMR微调电位器的调整，这时应施加AC输入信号。使用的输入频率应稍小於电路的-3dB带宽。
将两个输入连接在一起并应使输入信号幅度调整在20Vp-p。然後调整AC CMR微调电位器以提供尽可能最低的输出。如果需要尽可能最佳的建立时间，那麽在示波器上观察输出波形的同时利用AC CMR微调电位器进行调整。应当注意，在有些情况下，应当在最佳CMR和最快建立时间之间进行折衷。
Charles Kitchin，Lew Counts
美国模拟器件公司
仪表放大器特点及作用 仪表放大器是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。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组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。 一、仪表放大器特点 1、高共模抑制比 共模抑制比（CMRR）则是差模增益（Ad）与共模增益（Ac）之比，即：CMRR=20lg|Ad/Ac|dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70～100dB 以上。 2、高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为109～1012Ω。 3、低噪声 由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz. 4、低线性误差 输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%. 5、低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV。 二、仪表放大器的作用 目前仪表放大器在多方面已经得到运用，典型应用如下：
电子线路CAD与电子工艺实训报告 第七组 仪表放大器的设计与制作 班级：电本0501 学号：0532110661 姓名：王德权 序号：16 指导教师：姜李张娟 2008年 1 月 16日
一．实训目的： 1掌握仪表放大器的结构原理： 2 熟练应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图； 3 熟练掌握印制电路板的生成，了解如何刻板； 4 掌握基本焊接技术。 二．实训工具： Protel99se CircuitCAM 电烙铁 万用表 模拟电子试验箱（含有+12V电源，+0V---+0.5V电源） 其他必要检测设备 三．仪表放大器原理： 本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。仪表放大器电路连接成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。由于电路的结构对称，他们的漂移和失调都具有互相抵消的作用。后一个运算放大器组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。电容C用于除抖动和抗干扰。 工作原理： 由于v—→v+，因而加在R7两端的电压为(vI1—vI2)，相应通过R7的电流i7＝(vI1-vI2)／R7，由于i→0，因而vo1＝i7R1+vI1，vo2＝i7R2+vI2，当，R1＝R2＝R时，vo1-vo2＝(1+2R／R7)(vI1-vI2)对U2而言，vo1加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理的输出电压。vo＝—(R5／R3)vo1+R6／(R4+R6)vo2(1+R5／R3)由于R3＝R4，R5＝R6因而 vo＝—(R5／R3)(vo1-vo2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）(vI1-vI2) 仪器放大器的差值电压增益：Avf＝vo／(vI1-vI2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）上式表明，改变R7可设定不同的Avf值。 仪器放大器的共模抑制比主要取决于第—级集成运放U1和U3的对称性和各电阻值的匹配精度。如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为→±0．001％，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。 由于采用了对称的同相放大器，因而仪器放大器两输入端具有相同的输入电阻，且其值可达到几百MΩ以上。利用仪表放大对他的特性进行了实际的测量和具体数据进行了记录最大放大倍数为Av=100。经计算，本设计中仪表放大器的电压放大倍数A U=R5/R3(1+2R1/R2)=100，结果将在仿真中验证。 仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模抑制比，具有较低的失调电压，失调电流，噪声及飘移的放大器。在使用时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器带来误差，而其将降低电路的共模抑制比。 四．实训步骤： （一）在Protel99se环境中绘制原理图、印制板图，生成CAM文件 1 、绘制电路原理图： 进入Protel99se SCH界面，绘制电路原理图，绘制原理图过程中注意元件的封装和名称，还有元件的布局，力求美观，完成之后，经电气检查无误后即可生成网络表。
Op Amp Circuit Collection AN-31
Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14
Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20
仪表放大器的应用技巧摘 仪表放大器的应用技巧(摘)2019-05-06 00：39仪表放大器的应用技巧(摘) 长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差 100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V~V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。 电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什么路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。 图1、电源旁路的推荐方法 图2、一个没有输入接地返回的AC耦合仪表放大器电路 通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。 1.输入接地返回的重要性 当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放
目录 一、绪言 (7) 二、电路设计 (8) 设计要求 (8) 设计方案 (8) 1、电路原理 (8) 2、主要器件选择 (9) 3、电路仿真 (10) 三、电路焊接 (13) 四、电路调试 (14) 1、仪表放大电路的调试 (14) 2、误差分析 (15) 五、心得体会 (18) 六、参考文献 (19)
绪言 智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出仪表放大器电路实现方案，通过分析，为以后进行电子电路实验提供一定的参考。 在同组成员张帅威、张智越的共同努力下，大家集思广益，深入探讨了实验过程中可能出现的各种问题，然后分工负责个部分的工作，我和张帅威负责前期的电路设计和器件的采购，后期的焊接由张智越完成，最后的调试由我们三个人共同完成。本报告在做实验以及其他同学提出的富有建设性意见的基础上由我编写，报告中难免会有不足或疏漏之处，还望大家指正为谢！
第一章电路设计 一、设计要求 1、电路放大倍数>3000倍 2、输入电阻>3000kΩ 3、输出电阻＜300Ω 二、设计方案 1、电路原理 仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
项目支持：北京市科技攻关项目，农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发（D0706007040191）国家“十一五”科技支撑计划农产品流通过程信息化关键技术与系统研发（2006BAD10A04） 国家“十一五”科技支撑计划灌区地下水开发利用关键技术（2006BAD11B05） 微弱信号检测的前置放大电路设计 张石锐1，2，郑文刚2*，黄丹枫1，赵春江2 （1.上海交通大学农业与生物学院上海市 200240 2.国家农业信息化工程技术研究中心北京市 100097） 摘要：针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求，论文设计了以电流电压转换器，仪表放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离，提出了电路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用微弱低频信号进行了测试，得到了理想的效果。 关键字：精准农业、微弱信号检测、仪表放大器、前置放大电路 中图分类号：TN721.5 文献标识码：A The design of preamplifier circuit based on weak signal detection ZHANG Shi-rui1，2，ZHENG Wen-gang2，HUANG Dan-feng1，ZHAO Chun-jiang2 (1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing, 100097, China) Abstract：Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture, the article introduced the circuit principle of deigning preamplifier circuit whit I/V Conversion level, instrumentation amplifier level and low-pass filter level. At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal, and gave the method of choosing elements and noise reduction. Finally, gave the design of the weak signal detection pre-amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202. Key words: precision agriculture ，weak signal detection, instrumentation amplifier, preamplifier 1、引言 精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息，对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药，最大限度地提高水、肥和药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和生态效益[1]。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉，而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况，通过检测这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往往电流信号只能达到纳安级，电压信号也只能达到微伏级。为有效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。 2、电路基本结构 生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号，检测不同的植物生理参数，可能得到电压或电流信号。对于电流信号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路的放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。
仪表放大器：三运放INA的基础操作简介许多工业和医疗应用在存在大共模电压和DC电位的情况下，都使用仪表放大器（INA）来调理小信号。三运算放大器（三运放）INA架构可执行该功能，其中输入级提供高输入阻抗，输出级过滤共模电压并提供差分电压。高阻抗与高共模抑制比的结合是流量传感器、温度传感器、称重装置、心电图（ECG）和血糖仪等众多传感器和生物计量应用的关键。 本文介绍了三运放INA的基础操作，分析了零漂移放大器的优点、RFI 输入滤波器、监测传感器健康和可编程增益放大器，并列举了传感器健康监测器和有源屏蔽驱动（acTIve shield guard drive）电路的应用范例。 三运放INA基础操作 INA本身的性质使其适用于调理小信号。其高阻抗与高共模抑制比的结合非常适合传感器应用。通过使用输入级的同相输入可实现高输入阻抗，无需靠任何反馈技巧（见图1）。三运放电路可消除共模电压，并以非常小的误差放大传感器信号，但必须考虑输入共模电压（VCM）和差分电压（VD），以免使INA的输入级达到饱和。
饱和的输入级可能看似对处理电路是正常的，但实际上却具有灾难性后果。通过使用具有轨到轨输入和输出（RRIO）配置的放大器来提供最大设计余量，有助于避免出现输入级饱和。以下讨论介绍了三运放INA的基本操作，并举例说明了放大器如何处理共模和差分信号。 图1是三运放INA的框图。按照设计，输入被分为共模电压VCM和差分电压VD。其中，VCM定义为两个输入的共用电压，是INA+与INA-之和的平均值，VD定义为INA+与INA-的净差。 式1： 式2给出了由于施加共模电压和差分电压而在INA输入引脚上产生的节点电压（INA+、INA-）。 式2： 在非饱和模式下，A1和A2的运放在增益设置电阻RG上施加差分电压，产生电流ID： 式3： 因此A1和A2的输出电压为：
仪表放大器电路设计技巧 Charles Kitchin，Lew Counts 美国模拟器件公司 长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V 单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。 电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。 通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。 图1、电源旁路的推荐方法 1.输入接地返回的重要性 当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。图2示出这样一个电路。
三运放仪表放大器 摘要 本系统采用三个OP07双电源单集成运放芯片构成仪表放大器，此放大器能调节将输入差模信号放大100至200倍，同时具有高输入电阻和高共模抑制比，对不同幅值信号具有稳定的放大倍数；电源部分由变压器、整流桥、7812、7912、7805等线性电源芯片组成，可输出+5V、+12V、-12V三路电压。 一、方案论证与比较 1.放大器电源的制作方法 方案一：本三运放仪表放大器系统采用集成运放OP07，由于OP07是双电源放大器，典型电源电压为，可方便采用市售开关电源或者开关电源芯片制作电源作为OP07的电 源输入，开关电源具有的效率高，体积小，散热小，可靠性高等特点，但是因为其内部构造特性，使输出电压带有一定的噪声干扰，不能输出纯净稳定的电压。 方案二：采用线性电源稳压芯片78系列和79系列制作线性电源，使用多输出抽头变压器接入整流桥再接入稳压芯片，输出纯净的线性电源。 2.电源方案论证 本系统是一个测量放大系统，其信号要求纯净无噪声干扰，在系统中加入滤波器消除干扰的同时，我们应该考虑系统本身的干扰源并尽量降低干扰。考虑到开关电源的输出电压不是十分纯净的，带有许多噪声干扰，而线性电源可以稳定输出电压值，虽然线性电源体积较大，效率较低，但是作为测量系统中，我们采用方案二来提高测量的精准度。 3.放大器制作方法 方案一：题目要求使输入信号放大100至200倍，可使用单运放构成比例运算放大电路， 按负反馈电阻比例运算进行放大，输出电压，此放大电路可以达到预定的放大倍数，但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题。 方案二：采用三运放构成仪表放大器，这是一种对弱信号放大的一种常用放大器，输出 电压。 4.放大器方案论证 在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器输入电阻加大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。 此外，传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模部分，期数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强的共模信号抑制能力。 综上所述，采用方案二仪表放大器方案，仪表放大器除了具有足够的放大倍数外，还具有高输入电阻和高共模抑制比。 二、系统设计
仪表放大器应用工程师指南（第三版）仪表放大器应用工程师指南 第一章仪表放大器的基本原理 前言 仪表放大器有时被错误地理解。并非所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，而且仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于从电机控制到数据采集以及汽车系统等诸多领域。本书的目的是阐述什么是仪表放大器，它的工作原理怎样，如何使用它以及在何处使用它等基本问题。另外，本书还介绍了几种不同类型的仪表放大器。 仪表放大器与运算放大器的区别是什么, 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9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，典型值为 Ω10或更大。其输入偏置电流也很低，典型值为1nA至50 nA。与运算放大器一样，仪表放大器输出阻抗也很低，在低频段通常仅有几毫欧。 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决定。与运算放大器不同的是，仪表放大器使用一个与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，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。 图1-1所示的是一个电桥前置放大电路，即为一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压，且其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流电压也施加到电桥的两输入端。这种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通常是抑制共模直流电压或对两输入端共模的任何其它电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。 相反，如果若在该类应用中采用标准的运算放大器，那么它只会对信号电压和任何直流信号、噪声或其它共模电压进行简单放大。因此，信号会淹没在直流失调电压与噪声之中。正因为如此，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱的信号。图1-2对比了运算放大器和仪表放大器输入特征之间的差别。信号放大与共模抑制(CMR) 仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提供非常重要的功能。 共模抑制(CMR) 是指抵消任何共模信号(两输入端电位相同)同时放大差模信号(两输入端的电位差)的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。直流和交流的共模抑制比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
-14- 《国外电子元器件》2000年第6期2000年6月 图1INA118的内部电路 图2 INA118的引脚排列 精密低功耗仪表放大器INA118及其应用 信息产业部电子六所 杨昌金北京联合大学机电工程学院 王涛 Precision And Lo w Po wer Instrument Am p l if ier INA118 Yan g Chan gj in Wan g Tao 摘要:INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放大器,它在内部集成了输入保护电路,其增益可由外部可调增益电阻R g 进行调节。本文介绍了INA118的原理、特性及应用电路。关键词:共模抑制;频带宽度;增益;轨至轨;INA118分类号:TN 722文献标识码:B 文章编号:1006-6977(2000)06- 0014- 02 ●新特器件应用 1.概述 INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放 大器系列中的一种,它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点,适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度(G =100时带宽为70k Hz )。 INA118由三个运算放大器组成差分放大结构,其内部电路如图1所示。内置输入过压保护,且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(从1 到1000),因而应用范围很广。 2.引脚图及引脚功能 INA118的引脚排列如图2所示。各引脚的功 能说明如表1所列。 3.电气参数 INA118的主要参数如下: ●最大偏移电压:50μV ;●最大温漂:0.5μV /℃;●最大输入基极电流:5nA ; ●最小共模抑制比:110dB ; ●输入过压保护电压:±40V ;●电源电压:±1.35V ～±18V ;●溃散电流:350μA ;●带宽:单位增益时为800k Hz ;●稳定时间:单位增益时为25μs ;●过载恢复时间:20μs ;●工作温度范围:-40℃～85℃;●封装形式:8脚D IP 或SO 。 4.工作原理 INA118由于内含输入保护电路,因此,如果输 入过载,保护电路将把 输入电流限制在1.5到5mA 的安全范围内,以保证后续电路的安全。 此外,输入保护电路还 能在无电源供电的情况
下面是我上月25号整理的，当时偶然发现我就趋值班的时间整理了一下，现在整理一下供大家点评。下面有下划线的地方是我修改过的（方括号［］内是原译和本人观点），我觉得这样比较通顺一点，正文中的黑体处属于准确性明显不足的地方。今天还发现了一个明显是错误的地方，呆会帖出来，大家看看是不是？ 信号放大与 CMR ［原译：仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。----观点：原文说得好好的，但译出了一种洋味，特别是那个“对”字，纯属多余又影响理解。|| 原文：An instrumentation amplifier is a device that amplifies the dif ference between two input signal voltages while rejecting any signals that are common to both inputs. 抑制这两个输入端共模信号的器件，因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提供非常重要的功能。 共模抑制（CMR）是指抵消任何共模信号（［原译：两输入端电位相同----观点：两个输入端的电位|| 原文：the same potential on both inputs］）同时放大差模信号（两输入端的电位差）的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能（阅读附注：也可以说是表现最突出、最有吸引力的功能/性能）。［原译：DC 和交流（AC）CMR 两者都是仪表放大器的重要技术指标----观点：意思没错，就是有点“涩”，翻译时加上CMR的中文意思更多方便更语言化一点，但那个“两者”是没有必要加进去了。|| 原文：Both dc and ac common-mode rejection are important in-amp specifications.］直流和交流的共模抑制CMR都是它的重要技术指标。［原译：使用现代任何质量合格的仪表放大器都能将由于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 至120 dB。----观点：理由同上句，但读者要注意原文并没有说交流共模抑制也能达到8 0～120dB。|| 原文：Any errors due to dc common-mode voltage (i.e., dc v oltage present at both inputs) will be reduced 80 dB to 120 dB by any mo dern in-amp of decent quality 共模电压（即出现在两输入端的直流电压）产生的任何误差减小到80～120dB。 然而，［原译：如果AC CMR 不够大会产生一种很大的时变误差。因为它通常随着频率产生很大变化，所以要在仪表放大器的输出端消除它是困难的。幸好大多数现代单片集成电
基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计
2010-2-5 20:10:00 来源：中国自动化网
1 引言 传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，例如温度、力、压力、流 量、 位置、 光强等。 这些特性对传感器起激励的作用。 传感器的输出经过调理和处理， 以对物理特性提供相应的测量。 数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备， 以数值计算的方式对信号进行采 集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。仪表放大 器具有非常优越的特性，能将传感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。 本文介绍在一个智能隔振系统中，传感器数据采集系统具有非常多的传感器，而且信 号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合 模数转换器件的工作范围。 2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用 仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，他具有差分输入、单端输出、高输 入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放 大器）基本相同，他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是 单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和 仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号， 因而具有很高的共模抑 制比（CMR）。他们通常不需要外部反馈网络。 仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益 单元。输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值（通常为 109 或更大）。与由接在反 向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同， 仪表放大器使用 了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。 利用加到两个差分输入端的输入信 号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输入端隔离的内部或外部增益电阻器由 用户设置。典型仪表放大器的增益设置范围为 1～1000。 仪表放大器的特点： （1）高共模抑制比 共模抑制比 （CMRR） 则是差模增益 （Ad） 与共模增益 （Ac） 之比， CMRR=20lg 即： （Ad/Ac）dB；仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值为 70～100 dB 以 上。 （2）高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗， 仪表放大器的同相和反相输入端的阻 抗都很高而且相互十分平衡， 其典型值为 109～1012 低噪声由于仪表放大器必须能 够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在 1 kHz 条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于 10 nV/Hz。 （3）低线性误差 输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正， 但是线性误差是器件固有缺 陷，他不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0.01%， 有的甚至低于 0.0001%。 （4）低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成， 输入和输出失调电压典型值 分别为 100 uV 和 2 mV。
电源招聘专家使用仪表放大器的高性能加法器 随着仪表放大器价格的逐步下滑，它们可以为传统上采用运算放大器的应用提供更高的性能。图1中的运放加法器有一些缺点。首先，输入端为中低输入阻抗，这是由每个信号的输入电阻所决定的。当驱动信号源阻抗较大，或需要设计低阻驱动源时，这种结构会产生增益误差。另外，电路也没有共模抑制能力，因此输入端必须是单端的。最大增益的通道限制了整个系统的性能。一个通道的较高增益会产生较低带宽、较大失真，并增加系统所有通道上的噪声。为限制这些作用，即使低性能的加法器也需要高性能、大带宽的运放。 这款运放加法器的噪声增益为1+10,000/(10||10,000)。最高增益的输入信号以及10Ω阻抗决定了噪声增益，但所有的输入缓冲器都增加了偏移电压、增益误差、噪声与失真。你可以用仪表放大器增加输入阻抗，提高共模抑制能力。一只仪表放大器的输出电压与正、负输入端之间的压差成正比。 图1，一种采用单运放的典型加法器结构。 在RG脚连接一只电阻RGAIN，就可将此信号放大（图2）。输出电压产生于参考脚与输出脚之间。这种结构可以用参考脚将一个加法器结构中的多个信号级联起来。每个仪表放大器的增益可以设定为不同值。
电源招聘专家 图2，两只仪表放大器为该加法器电路提供了更多的输入阻抗。 图3，在高于300 Hz频率下，仪表放大器结构表现出更强的THD+N性能。 本系统比简单的运放加法器有多个优点。例如，每个输入端都有极高的输入阻抗，并有独立的共模抑制能力，它由连接到该通道上的仪表运放所决定。通道增益越高，则共模抑制越大，得到的误差越小。还可以使用仪表放大器的反相与非反相端，方便地加减信号；如果愿意，该放大器也可以使用差分输入信号。此外，每个信号的失真、噪声增益和带宽都与其它信号无关，从而有较低的偏移电压、增益误差、噪声和失真。图3的THD+N（总谐波失真加噪声）图表明，仪表放大器加法器的失真为运放加法器的五分之一，哪怕所用仪表放大器的带宽为1MHz，并工作在1mA，而运放带宽为8 MHz，工作在4.5mA。
§8.1 比 例运算电 路 8.1.1 反相比例电路 1. 基本电路 电压并联负反馈输入端虚短、虚断 特点： 反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低 输出电阻小，带负载能力强 要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。 如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 2. T型反馈网络（T型反馈网络的优点是什么？） 虚短、虚断
8.1.2 同相比例电路 1. 基本电路：电压串联负反馈 输入端虚短、虚断 特点： 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强 V-=V+=V i，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高 2. 电压跟随器 输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小§8.2 加减运算电路 8.2.1 求和电路 1.反相求和电路 2.
虚短、虚断 特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 3.同相求和电路 4. 虚短、虚断 8.2.2 单运放和差电路
8.2.3 双运放和差电路 例1:设计一加减运算电路 设计一加减运算电路，使 V o=2Vi1+5Vi2-10Vi3 解：用双运放实现
如果选Rf1=Rf2=100K，且R4= 100K 则：R1=50K R2=20K R5=10K 平衡电阻 R3= R1// R2// Rf1=12.5K R6=R4//R5//Rf2= 8.3K 例2:如图电路，求A vf，Ri 解： §8.3 积分电路和微分电路 8.3.1 积分电路 电容两端电压与电流的关系：
积分实验电路 积分电路的用途 将方波变为三角波（Vi：方波，频率500Hz，幅度1V）
运算放大器应用设计的几个技巧 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的nA?级，选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。 三、如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！ 而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决： 1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。
如何选择仪表放大器_仪表放大器的选择分析 什么是仪表放大器这是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。 随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。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组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。 仪表放大器构成原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR 要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=（1+2R1/Rg）Rf/R3。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。 仪表放大器特点●高共模抑制比 共模抑制比（CMRR）则是差模增益（A d）与共模增益（Ac）之比，即：CMRR = 20lg