仪表放大器应用工程师指南(第三版)
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TI运算放大器仪表放大器电路设计说明书
1ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路Analog Engineer's Circuit:AmplifiersZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计目标输入V idiff (V i2-V i1)共模电压输出电源V i diff Min V i diff Max V cm V oMin V oMax V cc V ee V ref -0.5V+0.5V±7V–5V+5V+15V–15V0V设计说明此设计使用3个运算放大器构建分立式仪表放大器。
电路将差动信号转换为单端输出信号。
仪表放大器能否以线性模式运行取决于其构建块（即运算放大器）能否以线性模式运行。
当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器以线性模式运行。
这些范围取决于用于为运算放大器供电的电源电压。
设计说明1.使用精密电阻器实现高直流CMRR 性能2.R 10设置电路的增益。
3.向输出级添加隔离电阻器以驱动大电容负载。
4.高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。
5.能否以线性模式运行取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。
线性输出摆幅范围在运算放大器数据表中A OL 测试条件下指定。
2ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计步骤1.此电路的传递函数：2.选择反馈环路电阻器R 5和R 6：3.选择R 1、R 2、R 3和R 4。
要将Vref 增益设置为1V/V 并避免降低仪表放大器的CMRR ，R 4/R 3和R 2/R 1的比值必须相等。
4.计算R 10以实现所需的增益：(1)5.要检查共模电压范围，请从参考文献[5]中下载并安装程序。
通过为内部放大器具有所选放大器（在本例中为TLV172）所定义的共模范围、输出摆幅和电源电压范围的三级运算放大器INA 添加代码，对安装目录中的INA_Data.txt 文件进行编辑。
基于三运放的仪表放大器的设计与制作
传感器与检测技术（信号检测部分）实验指导书检测与控制实验中心编著重庆邮电大学自动化学院检测与控制实验中心2015.3.27实验一、基于三运放的仪表放大器的设计与仿真一．实验目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Proteus仿真平台，设计电路原理图；并生成电路板图；3 掌握基本焊接技术。
二．实训工具：Proteus仿真平台三．三运放构成仪表放大器的原理：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。
这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。
2. 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。
HGMCSB0431C--OMP60说明书
4 信号输送模块和接口 ............................................................................. 4-1
4-1 MI12 接口设备（使用 OMM 时）........................................................................4-1
在实际运转时必须装好。 4. 本说明书根据最新材料编写，然而因为不断的技术革新而万一在所购买的机械与本说明书内
容有所不同，请与本公司联系。本公司将会提供正确的资料。 5. 请将本使用说明书保管在机械附近，以便随时查阅。 6. 要重新订购说明书时，请与说明书编号（或机械名称、机械编号、说明书名称）一并与就近
4-1-1 接口设备 ................................................................................................................. 4-1 4-1-2 手动为探针 OMP60 输入启动信号 .......................................................................... 4-1 4-1-3 OMM 发光二极管的操作 ......................................................................................... 4-2
1-1 规定 ....................................................................................................................1-1 1-2 仅与本书说明对象相关的安全注意事项...............................................................1-1
4-1 MI12 接口设备（使用 OMM 时）........................................................................4-1
在实际运转时必须装好。 4. 本说明书根据最新材料编写，然而因为不断的技术革新而万一在所购买的机械与本说明书内
容有所不同，请与本公司联系。本公司将会提供正确的资料。 5. 请将本使用说明书保管在机械附近，以便随时查阅。 6. 要重新订购说明书时，请与说明书编号（或机械名称、机械编号、说明书名称）一并与就近
4-1-1 接口设备 ................................................................................................................. 4-1 4-1-2 手动为探针 OMP60 输入启动信号 .......................................................................... 4-1 4-1-3 OMM 发光二极管的操作 ......................................................................................... 4-2
1-1 规定 ....................................................................................................................1-1 1-2 仅与本书说明对象相关的安全注意事项...............................................................1-1
仪表放大器应用
对于data sheet中的标准连接，电路示意图如图 10所示。
此处，A代表输出级增益。 假设 Ry/Re = 1 (即Re和Ry阻值相同)。那么：
图 10. 两个放大器组成的仪表放大电路
由于A值非常高，所以得到：
EL817x仪表放大器产品组功能特性
EL8171、EL8173 简化电路示意图如图 11 所 示，它描绘了输入、输出的轨至轨工作过程。 该电路图同样应用于 EL8170、EL8172，只需 将 PNP 晶体管(Q1-Q4)替换成针对超低输入偏 置电流的 P-沟道 MOSFET。
电压 (IN+和 IN-)的情况下使用。但是输入阻 抗是由 R3 和 R4 的电阻值决定，并不提供高输 入抵抗。这在仪表放大电路中是很常见的。
此外，由于共模抑制比(CMRR)会随着任何有 助于 R4 阻值增加并使 R2 和 R4 失配的源阻抗 而衰减，REF 输入必须由一个非常低的源阻抗 来驱动。
图 4.
(EQ. 5)
VOUT = (IN+ - IN-) × Gain + VREF
(EQ. 2)
x = R4 /(R3 +R4) ×(R1 +R2) /R1 - R2/R1 (EQ. 6)
更糟的情况是，共模抑制比发生在 R4 和 R1 容 差处于最高值、R2 和 R3 处于最低值的时候。 表 1 显示的是增益为 1、10、100 的情况下， 电阻容差与共模抑制比的关系。
电阻 容差
±5% ±1% ±0.1% ±0.01%
表 1.
增益为1 -20.4dB -34.1dB -54.0dB -74.0dB
共模抑制比 增益为10 -15.6dB -28.9dB -48.8dB -68.8dB
此处，A代表输出级增益。 假设 Ry/Re = 1 (即Re和Ry阻值相同)。那么：
图 10. 两个放大器组成的仪表放大电路
由于A值非常高，所以得到：
EL817x仪表放大器产品组功能特性
EL8171、EL8173 简化电路示意图如图 11 所 示，它描绘了输入、输出的轨至轨工作过程。 该电路图同样应用于 EL8170、EL8172，只需 将 PNP 晶体管(Q1-Q4)替换成针对超低输入偏 置电流的 P-沟道 MOSFET。
电压 (IN+和 IN-)的情况下使用。但是输入阻 抗是由 R3 和 R4 的电阻值决定，并不提供高输 入抵抗。这在仪表放大电路中是很常见的。
此外，由于共模抑制比(CMRR)会随着任何有 助于 R4 阻值增加并使 R2 和 R4 失配的源阻抗 而衰减，REF 输入必须由一个非常低的源阻抗 来驱动。
图 4.
(EQ. 5)
VOUT = (IN+ - IN-) × Gain + VREF
(EQ. 2)
x = R4 /(R3 +R4) ×(R1 +R2) /R1 - R2/R1 (EQ. 6)
更糟的情况是，共模抑制比发生在 R4 和 R1 容 差处于最高值、R2 和 R3 处于最低值的时候。 表 1 显示的是增益为 1、10、100 的情况下， 电阻容差与共模抑制比的关系。
电阻 容差
±5% ±1% ±0.1% ±0.01%
表 1.
增益为1 -20.4dB -34.1dB -54.0dB -74.0dB
共模抑制比 增益为10 -15.6dB -28.9dB -48.8dB -68.8dB
最全资料合集！ADI各领域技术指南大整合
最全资料合集！ADI各领域技术指南大整合放大器⭐部分指南精选仪表放大器输入RFI保护在实际应用中，必须处理日益增多的射频干扰(RFI)，对于信号传输线路较长且信号强度较低的情况尤其如此，这是仪表放大器的典型应用，因为其本身具有共模抑制能力，所以该器件能从较强共模噪声和干扰中提取较弱的差分信号。
但有个潜在问题却往往被忽视，即仪表放大器中存在的射频整流问题。
当存在强射频干扰时，集成电路的内部结点可能对干扰进行整流，然后以直流输出失调误差表现出来。
对于仪表放大器的器件级应用需进行适当的滤波，通用方法如图1所示。
在此电路中，仪表放大器可以是数种器件之一。
仪表放大器前相对复杂的平衡RC滤波器负责执行所有高频滤波。
仪表放大器则通过其增益设置电阻(图中未显示)设置为应用所需的增益。
数模转换器⭐部分指南精选DAC接口基本原理越来越多的人简单地将DAC视作具有数字输入和一个模拟输出的器件。
但模拟输出取决于是否存在称为基准电压源的模拟输入，且基准电压源的精度几乎始终是DAC绝对精度的限制因素。
有些情况下，内置基准电压源的转换器通常可以通过以更为精密和稳定的外部基准电压源覆盖或替换内部基准电压源来提高直流精度。
其它情况下，通过使用外部低噪声基准电压源，也可以改善高分辨率ADC的无噪声码分辨率。
各种各样的ADC和DAC以各种各样的方式支持使用外部基准电压源来替代内部基准电压源。
上图所示为一些常见配置。
模数转换器⭐部分指南精选噪声是利还是弊？在一定的条件下，扰动可以改善ADC的SFDR。
例如，即使在理想ADC中，量化噪声与输入信号也有某种相关性，这会降低ADC的SFDR，特别是当输入信号恰好为采样频率的约数时。
将宽带噪声(幅度约为½ LSB rms)与输入信号相加往往会使量化噪声随机化，从而降低其影响(见图5A)。
然而，在大多数系统中，信号之上有足够的噪声，因此无需额外添加扰动噪声。
ADC的折合到输入端噪声也可能足以产生同样的效果。
传感器原理及工程应用_(第三版)_((郁有文))_(西安电子科技大学出版)_详细答案 (1)
4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。
2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。
图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。
石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。
当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。
因此，输出电压也随x而变化。
输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。
图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。
3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。
✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。
4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。
试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。
【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。
S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。
若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。
GF-3说明书
G F – 3称量放大器
使用说明书
上海自动化仪表股份有限公司
调节元件位置图
调试方法:
1.通电前按照传感器使用说明书提示方法和本放大器说明书中表1要求，输入端信号和桥压要与传感器连接好，将传感器的桥压输入端与桥压连妥，信号线与传感器输出端连妥，将屏蔽线妥善接地，输出端接数显表。
当选用电压输出功能时，采用直流0~20V电压量程数显表；选用电流输出功能时要外接500Ω精密电阻。
2. 将放大器的电源插头插入220V 50Hz交流电中，妥善接地。
将万用表置于直流0~20V档，测量“桥压、信号”四根导线，测有直流电压为10V的一对导线为桥压输出线，另一对导线即为信号线。
4. 使用中首先考虑的是达到所需的量程范围，因实际使用的传。
如何为低噪声设计选择最佳放大器？方法要点在此
如何为低噪声设计选择最佳放大器？方法要点在此当针对低噪声应用评估放大器的性能时，考虑因素之一是噪声，今天我们简要探讨在为低噪声设计选择最佳放大器时涉及到的权衡问题。
如果驱动一个带有一定源电阻的运算放大器，等效噪声输人则等于以下各项平方和的平方根：放大器的电压噪声；源电阻产生的电压；以及流过源阻抗的放大器电流噪声所产生的电压。
如果源电阻很小，则源电阻产生的噪声和放大器的电流噪声对总噪声的影响不大。
这种情况下，输人端的噪声实际上只是运算放大器的电压噪声。
如果源电阻较大，源电阻的约翰逊噪声可能远高于运算放大器的电压噪声和由电流噪声产生的电压。
但需要注意，由于约翰逊噪声仅随电阻的平方根而增长，而受电流噪声影响的噪声电压与输人阻抗成正比关系，因而对于输人阻抗值足够高的情况，放大器的电流噪声将成为主导。
当放大器的电压和电流噪声足够高时，在任何输人电阻值情况下，约翰逊噪声都不会是主导。
如果某个放大器的噪声贡献相对于源电阻可以忽略不计，则可通过运算放大器的品质因数R s, op来进行选择。
这可以通过放大器的噪声指标来计算:其中:e n表示折合到输人端的电压噪声i n表示折合到输人端的电流噪声图1给出的是1 KHz下，多种ADI工高压(最高44 V)运算放大器的电压噪声密度对与R S, OP关系的比较，1 kHz。
斜线显示了与电阻相关的约翰逊噪声。
图1. ADI的放大器噪声坐标图根据运算放大器数据手册中的数据，可以为某个选定频率制作类似的曲线图。
例如，AD8599的折合到输人端的电压噪声约为1.07 nV/√Hz，折合到输人端的电流噪声为2.3 pA/√Hz(1 kHz)。
其R s,op值约为465 S2(1 kHz)。
另外，需要注意以下几点:•与该器件相关的约翰逊噪声等效于约为69.6 Ω的源电阻(见图1)；•对于超过465 Ω的源电阻，放大器电流噪声产生的噪声电压会超过源电阻产生的噪声电压;放大器的电流噪声成为主要噪声源。
仪表运放 rfi 滤波-概述说明以及解释
仪表运放rfi 滤波-概述说明以及解释1.引言1.1 概述仪表运放（Instrumentation Amplifier）是一种高增益、高输入阻抗、差分放大器，常用于测量仪器和传感器等领域。
在实际应用中，仪表运放往往会受到射频干扰（RFI）的影响，导致输出信号的失真和不稳定性。
为了解决这一问题，RFI滤波器被引入到仪表运放中，用于抑制射频干扰信号，保证输出信号的准确性和稳定性。
本文将重点介绍仪表运放和RFI滤波器的原理，探讨在仪表运放中应用RFI滤波的方法和效果。
通过深入了解仪表运放和RFI滤波器的结合应用，可以提高仪器仪表系统的性能和可靠性，满足不同领域对精密测量的需求。
1.2 文章结构:本文主要分为三个部分，分别为引言、正文和结论。
在引言部分中，将对仪表运放和RFI滤波进行简要的介绍和概述，阐明文章的研究背景和意义，明确文章的目的和结构安排。
正文部分将详细探讨仪表运放的作用、RFI滤波器的原理以及仪表运放中的RFI滤波应用。
通过对仪表运放和RFI滤波的深入分析，展示它们在电子设备中的重要性和应用价值。
结论部分将对全文进行总结，提出应用建议和展望未来的研究方向。
通过对文章所涉内容的综合分析和概括，进一步突出仪表运放和RFI滤波在电子领域的重要性，为读者提供参考和启示。
1.3 目的本文旨在探讨仪表运放中的RFI滤波器的重要性和应用。
通过深入分析仪表运放的作用以及RFI滤波器的原理，我们将探讨如何在仪表运放中合理应用RFI滤波器来提高电路的稳定性和抗干扰能力。
同时，我们也将讨论RFI滤波器在电子设备中的其他潜在应用，以期为读者提供更深入的了解和应用建议。
通过本文的研究，我们希望读者能够更好地理解和运用RFI滤波器，提高电路的性能和可靠性。
2.正文2.1 仪表运放的作用仪表运放（Instrumentation Amplifier，简称INA）是一种特殊的运算放大器，它主要用于信号测量和传感器信号处理。
AD8237_cn
BW 1 +IN 2 –IN 3 –VS 4 + – – +
引脚配置
AD8237
8 7 6 5
VOUT FB
10289-001
REF +VS
TOP VIEW (Not to Scale)
图1.
表1. 仪表放大器分类1
通用 AD8421 AD8221/AD8222 AD8220/AD8224 AD8228 AD8295 AD8226
概述
AD8237是一款微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出仪表放 大器。它可通过两个相对匹配的电阻设置 1至 1000间的任 何增益。在任何增益下均可用比率匹配的两个电阻保持出 色的增益精度。 AD8237采用间接电流反馈架构，以实现真正的轨到轨能力。 与传统仪表放大器不同，AD8237可以在共模电压等于或略 微高于其电源电压下完全放大信号。这使得高共模电压的 应用可以采用更小的电源，节约电能。 AD8237非常适合便携系统，最小电源电压为1.8 V，电源电 流为115 μA(典型值)，并且具有宽输入范围；AD8237充分利 用有限的功率，同时仍为台式系统提供合适的带宽和漂移 性能。TAΒιβλιοθήκη = −40°C至+125°C
One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 ©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Fax: 781.461.3113
参数 共模抑制比(CMRR) 直流共模抑制比(CMRR) G = 1, G = 10 G = 100, G = 1000 全温度范围(G = 1) 1 kHz时的CMRR 噪声 电压噪声 谱密度 峰峰值 电流噪声 谱密度 峰峰值 失调电压 失调 平均温度系数 折合到输入端的失调与电源的关系(PSR) 输入1 输入偏置电流 全温度范围 平均温度系数 输入失调电流 全温度范围 平均温度系数 输入阻抗 差分 共模 差分输入工作电压 输入工作电压(+IN、−IN或REF) 动态响应 小信号带宽 低带宽模式 G=1 G = 10 G = 100 G = 1000 高带宽模式 G = 10 G = 100 G = 1000 测试条件/注释 VCM = 0.1 V至4.9 V 最小值 典型值 最大值 单位
引脚配置
AD8237
8 7 6 5
VOUT FB
10289-001
REF +VS
TOP VIEW (Not to Scale)
图1.
表1. 仪表放大器分类1
通用 AD8421 AD8221/AD8222 AD8220/AD8224 AD8228 AD8295 AD8226
概述
AD8237是一款微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出仪表放 大器。它可通过两个相对匹配的电阻设置 1至 1000间的任 何增益。在任何增益下均可用比率匹配的两个电阻保持出 色的增益精度。 AD8237采用间接电流反馈架构，以实现真正的轨到轨能力。 与传统仪表放大器不同，AD8237可以在共模电压等于或略 微高于其电源电压下完全放大信号。这使得高共模电压的 应用可以采用更小的电源，节约电能。 AD8237非常适合便携系统，最小电源电压为1.8 V，电源电 流为115 μA(典型值)，并且具有宽输入范围；AD8237充分利 用有限的功率，同时仍为台式系统提供合适的带宽和漂移 性能。TAΒιβλιοθήκη = −40°C至+125°C
One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 ©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Fax: 781.461.3113
参数 共模抑制比(CMRR) 直流共模抑制比(CMRR) G = 1, G = 10 G = 100, G = 1000 全温度范围(G = 1) 1 kHz时的CMRR 噪声 电压噪声 谱密度 峰峰值 电流噪声 谱密度 峰峰值 失调电压 失调 平均温度系数 折合到输入端的失调与电源的关系(PSR) 输入1 输入偏置电流 全温度范围 平均温度系数 输入失调电流 全温度范围 平均温度系数 输入阻抗 差分 共模 差分输入工作电压 输入工作电压(+IN、−IN或REF) 动态响应 小信号带宽 低带宽模式 G=1 G = 10 G = 100 G = 1000 高带宽模式 G = 10 G = 100 G = 1000 测试条件/注释 VCM = 0.1 V至4.9 V 最小值 典型值 最大值 单位
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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器都能将由于直流共模电压(即出现在两输入端的直流电压)产生的任何误差减小80dB至120dB。
然而，如果交流共模抑制不够大会产生很大的时变误差。
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路(IC)仪表放大器提供了优良的交流和直流共模抑制。
共模增益(A)是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与共模抑CM制比有关。
A是两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益(衰减)。
CM 例如，当一个共模增益为1/1000的仪表放大器的输入有10V的共模电压时，它的输出会产生10mV的变化。
差模增益或常模增益(A)是指两个输入端施加(或D 跨接)差分电压时输入与输出之间的电压增益。
共模抑制比(CMRR)是指差模增益与共模增益之比。
请注意在理想的仪表放大器中，共模抑制比将成比例地随增益而增加。
CMR 通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗条件下(例如，60Hz，1kΩ不平衡源阻抗)对满度范围共模电压(CMV)的变化规定的。
数学上，CMRR可用下式表达:VCM()CMRRA, DVOUT其中，A是放大器的差模增益，V是呈现在放大器输入端的共模电压，DCM V是共模电压施加于放大器时呈现的输出电压。
OUTCMR是CMRR的对数表达形式，即:CMR = 20Log CMRR 10为了使仪表放大器有效工作，要求它既能放大微伏(μV)级信号，同时又能抑制输入端的共模压。
这对于仪表放大器在有用带宽内能够抑制共模信号来说是特别重要的。
这就要求仪表放大器在有用的主要频率及其谐波范围内具有非常高的CMR。
对于如何降低由于频带外的信号可能产生的直流输出失调误差的方法，请参考本书的有关RFI章节。
在单位增益时，典型的DC CMR值为70dB至100dB以上;在高增益时，通常CMR 得到改善。
虽然接成减法器方式的运算放大器确实也可提供CMR，但是用户必须提供精密匹配电阻(以提供足够大的 CMR)。
另外，带有预调整电阻网络的单片仪表放大器应用起来也非常方便。
运算放大器与仪表放大器的CMR比较运算放大器、仪表放大器和差分放大器都可以提供CMR。
然而，仪表放大器和差分放大器适合用于抑制共模信号以便它们不在其放大器的输出端出现。
相反，按照典型的反相或同相放大器方式工作的运算放大器处理共模信号，将其送至输出端，但是通常并不抑制它们。
图1-3a所示是一个运算放大器，与其连接的输入信号源叠加在一个共模电压之上。
因为反馈是从外部施加在输出与求和节点之间，所以迫使“,”输入端的电压与“，”输入端的电压相同。
所以该运算放大器的两输入端之间的电压理想情况下应为0V。
因此，对应于0V差分输入，该运算放大器的输出端电压必须等于V。
CM虽然运算放大器也有CMR，但是共模电压随信号传输到输出端。
实际上，信号被运算放大器的闭环增益放大，但共模电压仅得到单位增益。
这种在增益方面的差异确实能按照信号电压的百分比对共模电压提供一些衰减，然而共模电压仍会出现在输出端，并且它的输出减小了放大器的有效输出范围。
由于许多原因，出现在运算放大器的输出端的任何共模信号(直流或交流)都是非常不受欢迎的。
图1-3b所示是一个由三个运放构成的仪表放大器，工作在上述相同条件下。
请注意，像运算放器电路一样，仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益通过共模信号。
信号电压分别被两个缓冲器反向放大。
来自两个缓冲器的输出信号连接到该仪表放大器的减法器单元。
在这里(通常以低增益或单位增益)放大差分信号，而衰减(典型值为10000?1或以上)共模电压。
对比以上两个电路，两者都提供信号放大(和缓冲)功能，但是由于仪表放大器的减法器单元的作用，仪表放大器抑制了共模电压。
图1-3c所示是一个仪表放大器电桥电路。
该仪表放大器有效地抑制了出现在电桥两个输出端的直流共模电压，同时放大了非常微弱的电桥信号电压。
另外，许多现代仪表放大器提供高达80dB的CMR，并允许使用低成本、非稳压的直流电源激励电桥。
相反，一种利用三只运算放大器和一些 0.1%精度电阻器自己搭成的仪表放大器，通常CMR只能达到48dB，因此需要一种经过稳压的直流电源来激励电桥。
图1-3d所示是一个差分(减法器)放大器，它用于监测电池组中一节电池共模电压会很容易超过放大器的电源电压。
有些单片差分放的电压。
这里的直流大器(例如 AD629)可以在高达?270V共模电压条件下工作。
差分放大器图1-4所示是一个差分放大器的框图。
这种类型的IC是一种特殊用途的仪表放大器，它通常由一个减法器放大器及其随后的一个输出缓冲器组成，输出缓冲器有可能也是一级增益。
用于减法器的四只电阻器通常在IC内部，所以它们能够精密匹配以达到高CMR。
许多差分放大器被设计运用于共模电压和信号电压可能很容易超过电源电压的应用场合。
这些差分放大器通常使用非常高阻值的输入电阻来衰减信号电压和共模输入电压。
在何处使用仪表放大器和差分放大器,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。
通常的电桥应用包括使用负荷传感器的应变力和重力测量以及使用电阻温度检测器(RTD)的温度测量。
医用仪器仪表放大器广泛应用于医用设备，例如心电图仪和脑电图仪、血压计以及除颤器。
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和电流并且当超过正常值后触发报警系统。
由于差分放大器具有抑制高共模电压的能力，因此它们经常用于这类应用。
软件可编程方面的应用仪表放大器可用于具有软件可编程电阻器的芯片以允许软件控制硬件系统。
音频方面的应用由于仪表放大器具有高CMR，所以有时将它们用于音频方面(例如传声器前置放大器)，用于提取噪声环境中的微弱信号以及最大限度减小由于接地环路引起的失调电压和噪声。
请见表 6-4 ADI公司的音频专用产品(第6-24页)。
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，对宽带仪表放大器的需求不断地增加，尤其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。
用两个采样保持放大器监测图像和参考电平并把其信号电压送入一个仪表放大器提供一个直流修正输出。
视频方面的应用在许多视频和电缆射频(RF)系统中都使用高速仪表放大器用来放大或处理高频信号。
功率控制方面的应用仪表放大器还可以通过测量电动机的电压、电流和三相交流电动机的相位关系来监控电动机(监测和控制电动机的转速、转矩等)。
差分放大器用于输入信号电压超过电源电压的场合。
仪表放大器的外部特性图1-5所示是仪表放大器的功能框图。
由于理想的仪表放大器仅检测两输入端的电压差，所以任何共模信号(即对两个输入端有相同电位)，例如噪声和地线中的电压降，都在输入级被抑制，而不进行放大。
可以利用内部电阻或者外部电阻设置仪表放大器的增益。
内部电阻器最精确并且提供最低的增益对温度的漂移。
一种常用的方法是用一只外部电阻和两只内部电阻一起设置增益。
用户根据仪表放大器产品技术资料中给出的增益公式能够计算出对于一个给定增益所需的电阻值。
这允许在一个非常宽的范围内设置增益。
然而，外部电阻很少能够精确到所要求增益的准确电阻值，并且它总是与IC内部的电阻器有轻微的温度上的差异。
这些实际限制总是产生附加的增益误差和增益漂移的原因。
有时使用两只外部电阻器设置增益。
通常双电阻器解决方案比单电阻器具有较低的漂移，因为利用两只电阻器阻值的比率设置增益，并且这两只电阻器可以封装在一颗IC内以便精密匹配和具有非常接近的温度系数(TC)。
相反地，一只外部电阻器的TC总是与芯片内电阻器的TC不匹配。
仪表放大器的输出通常有它自己的参考端，包括其它用法，它允许仪表放大器用来驱动一个可能配置在远端的负载。
图1-5示出输入地和输出公共端都被返回到同一电位，在本例中返回到电源地。
这种星形接地对减小电路中的接地环路是一种非常有效的方法;但是一些残留的共模地电流仍然会存在，这些电流流过RCM将产生共模电压误差V。
仪CM表放大器依靠高CMR特性放大差分信号的同时抑制V和任何共模噪声。
CM 当然，必须对仪表放大器提供电源。
像运算放大器一样，通常采用双电源对仪表放大器供电，使其在规定范围内正常工作。