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三运放架构对仪表放大器的制约

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三运放架构对仪表放大器的制约仪表放大器的应用在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。

这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。

三运放仪表放大器典型的三运放仪表放大器(见图1)可提供出色的共模抑制，并可通过单个电阻精确设置差分增益。

其结构由两级电路构成：第一级提供单位共模增益和整体的(或大部分)差分增益，第二级则提供单位(或更小的)差模增益和整体的共模抑制(见图2)。

图1. MAX4194–MAX4197系列三运放仪表放大器的内部结构示意图图2. 在这个输入信号的二级放大架构中，输入共模电压被带入中间级(圆圈内)目前，大多数低电压放大器都提供满摆幅输出，但不一定具备满摆幅输入特性。

尽管如此，这里我们还是以单电源(V CC)三运放仪表放大器为例，假设该仪表放大器具有高增益、满摆幅输入和输出，如图1所示。

因为V OUT = 增益 × V DIFF + V REF，由此可得：(V OUT1，V OUT2) = V CM ± (增益 × V DIFF/2)= V CM ± (V OUT - V REF) / 2为防止V OUT1和V OUT2达到电源电压摆幅，必须保证：0 < (V OUT1，V OUT2) < V CC(例如，0 < V CM ± (V OUT - V REF) / 2 < V CC)注意：0 < V OUT < V CC实际应用中经常设定V REF = 0 (用于单极性输入信号)或V REF = V CC/2 (用于双极性输入信号)。

当V REF = 0时，不等式简化为：0 < V CM ± V OUT/2 < V CCV REF = V CC/2时，不等式简化为：0 < V CM ± V OUT/2 ± V CC/4 < V CC通过图表更易于理解上述条件，如图3所示。

图3. (a) V REF = 0和(b) V REF = V CC/2时，不同输入差分电压下，单电源供电三运放仪表放大器所允许的V CM。

横轴是经过放大的输入差分电压(V OUT)。

图3中的灰色区域表示输入共模电压的范围(与输入差分电压有关)，其中，图1中的放大器(A1，A2)的输出将不会达到电源电压摆幅进入饱和状态，该范围取决于V OUT和V REF。

因为V OUT - V REF是真正放大后的输入差分电压部分，所允许的共模输入范围随着输入差分电压的变化而变化。

当然，最理想的情况是充分利用电路增益—当输入达到预期的最大差分电压时获得满摆幅输出(V OUT)。

图4中的黑色区域表示仪表放大器对最大输入差分电压进行放大时的输入共模电压范围，输出为：V OUT = 0或V OUT = V CC。

图4. 黑色区域表示(a) V REF = 0和(b) V REF = V CC/2时，传统的三运放仪表放大器对信号进行放大达到最大输出电压时(即最大输入差分电压时)所对应的输入共模电压范围。

由此可见，两种情况下输入共模电压都受到了严格限制，特别是：•如果想要完全放大单极性差分输入信号(假设V REF = 0且可以得到0至V CC的满摆幅输出)，信号的共模电压应为½V CC。

在其它共模电压下，输出电压将达不到V CC满摆幅(须减小输入差分电压的最大值)。

对于双极性输入差分信号(V REF = ½V CC)，0至V CC满摆幅输出电压所对应的输入共模电压范围仅为¼V CC至¾V CC。

•在这两种情况中，如果输入共模电压达到或接近地电位(0V)，放大器将无法放大输入差分电压信号。

由此，假设输入差分电压(所需要的)与输入共模电压(不需要的)电压无关，黑色区域代表满量程输出电压V OUT对应的V CM最小值和最大值。

该区域之外，V DIFF和V CM配合不当的话将会产生无法接受的V CM电压。

注意，图4a中，如果需要得到满量程的V CM变化，则输入共模电压的容限为0。

也就是说，输入信号不允许有共模变化。

由此可见，在单电源系统中，三运放仪表放大器的应用范围很受限制。

我们有必要进行深入讨论，以回答以下两个问题：1.如果内部放大器(A1和A2)在输出达到电源摆幅时发生饱和将如何处置?2.输入不能达到满摆幅时会有什么影响?输入放大器饱和的影响假设放大器A1的输出达到地电位时发生饱和，即，V IN+ > V IN-，同时共模电压处于图4中的X区域(V DIFF大于灰色区的允许值)。

因为A1饱和(V OUT1 = 0)，使其进入了比较器(非线性)工作模式，反相引脚的电压不再与同相引脚(V IN-)保持相等的电压。

放大器A2将等效于同相放大器，以1 + R1 / (R1 + R G)的增益放大同相端(V IN+)的电压。

对于高增益放大器，R G << R1，因而放大器A2变成了一个同相增益为2的放大器。

V OUT2 = 2 × V IN+= 2 × (V CM + V DIFF/2)= 2 × V CM + V DIFF第2级差分放大器A3检测其输入V OUT1和V OUT2，然后产生差分输出：V OUT = (2 × V CM + V DIFF) + V REF同理，如果A2输出达到地电位时饱和：V OUT = -(2 × V CM - V DIFF) + V REF这是三运放仪表放大器工作模式中的一个潜在隐患。

此时仪表放大器不仅不放大输入差分电压造成器件性能下降，三运放仪表放大器还会对输入共模电压进行放大。

最糟糕的是，共模电压通常不受控制，并且是对有用信号有害的噪声。

这是一个很严重的问题，因为选择仪表放大器的本意是用来消除此类噪声。

非满摆幅输入结构的影响如上所述，大多数放大器具有满摆幅输出，但不具备满摆幅输入。

精密应用中，满摆幅输入级往往难以设计，因为共模电压接近V CC和GND时，交越特性不理想—处于转变过程中，输入差分级的n型和p型对管之间将产生失调电压。

优秀的精密仪表放大器设计的关键参数是低V OS和高CMRR。

当在交越区域改变共模电压时，因为CMRR = ΔV OS / ΔV CM，V OS 的变化将大大降低CMRR性能。

因此，精密仪表放大器大多采用非满摆幅输入结构，尽管此类放大器的输入共模电压范围仍包括了电源的负摆幅(0V)。

如果我们回头查看以下图3，考虑它对输入共模电压的限制，重新绘制的图形如图5所示。

图5. 采用非满摆幅输入级时，(a) V REF = 0和(b) V REF = V CC/2时，单电源供电的三运放仪表放大器在不同输入差分电压下可以接受的输入共模电压。

间接电流反馈结构间接电流反馈结构是设计仪表放大器的新型方案，由于该架构所具备的众多优点越来越多地受到人们的青睐。

图6给出了MAX4462和MAX4209仪表放大器所采用的间接电流反馈结构。

图6. MAX4462和MAX4209仪表放大器所采用的间接电流反馈结构。

这种新结构包含一个高增益放大器(C)和两个跨导放大器(A和B)。

每个跨导放大器将输入差分电压转换成输出电流，并抑制所有的输入共模电压。

放大器稳定工作时，g M A级源出的输出电流与g M B级吸收的输入电流相等。

通过高增益放大器C的反馈实现这一电流匹配，同时使反馈放大器B输入端的差分电压与放大器A输入端的差分电压相同。

该设计随后在输出电阻网络建立一个指定的电流(等于V DIFF / R1)，该电流同样也流过R2。

因此，OUT输出电压仅对输入差分电压进行放大(增益 = 1 + R2 / R1)。

可以在REF上加上一个任意参考电压，从而为输出电压提供偏置，原理与标准三运放仪表放大器类似。

将器件框图转换成等效电路，如图7中所示，将该图与图2进行比较，可以看出一个重要优势。

三运放仪表放大器的中间信号不仅包含了放大后的差分电压，而且也包含输入共模电压。

而间接电流反馈结构仅包含放大后的输入差分电压，第一级电路即提供了所有共模抑制。

随后，由第二级给出所有差分增益并进一步抑制共模信号，所以，可以采用基准电压为输出提供偏置。

由此可见，三运放仪表放大器中所具有的输入共模电压在间接电流反馈结构中被完全抑制掉。

图7. 间接电流反馈仪表放大器在第一级输出中不存在共模电压。

考虑到输入共模电压的限制(例如，一个非满摆幅输入级)，器件的传输特性如图8所示。

黑色区域表示满量程输出电压对应的输入共模电压的限制范围。

灰色区域给出了仪表放大器按照设想正常工作时的输入共模电压的范围—输出电压与放大后的输入差分电压成正比，同时抑制所有输入共模电压。

图8. 间接电流反馈仪表放大器可接受的输入共模电压范围如图中灰色和黑色部分所示，(a)和(b)中，黑色区域是灰色区域的子集，在这一区域中可得到满量程输出电压。

实验结果下面的实验结果为关于间接电流反馈架构的讨论提供了有力支持。

假设采用MAX4197和MAX4209H，二个仪表放大器的增益均为100。

MAX4197是三运放结构，而MAX4209H是间接电流反馈仪表放大器。

二者均采用V CC = 5V供电，并使用V REF = 2.5V提供器件的零输出偏置。

本实验中，采用两种信号波形输入到仪表放大器中。

例1是带有100Hz较大共模电压的1kHz差分信号，理想的仪表放大器输出不包含100Hz信号成分，只有1kHz的信号。

信号波形可近似为：V IN+ = 正弦波振幅 =2V P-P，偏置 =1V，频率 =100Hz(V IN+ - V IN-) = 正弦波振幅 =30mV P-P，偏置 =0，频率 =1kHz例2是带有1kHz较大共模电压的100Hz差分电压。

理想的仪表放大器输出不包含1kHz信号成分，只有100Hz信号。

输入信号波形可以近似为：V IN+ = 正弦波振幅 =2V P-P，偏置 =1V，频率 =1kHz(V IN+ - V IN-) = 正弦波振幅 =30mV P-P，偏置 =0，频率 =100Hz实验结果如下，其中通道1为V IN+，通道2为V IN-，通道3为仪表放大器的输出。

例1实验结果图9a中，MAX4209H得到了预期结果，MAX4197只有在输入共模电压远远高于地电位时才能得到预期结果(图9b)。

在MAX4197的输出电压中带有明显的100Hz信号成分。

图9. 途中给出了例1采用的(a) MAX4209H间接电流反馈结构和(b) MAX4197三运放结构的测试结果。

注意：由于在输入1和输入2迹线中，100Hz的V CM信号占优势，1kHz V DIFF太小而不可见。

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仪表放大器：三运放INA的基础操作简介

仪表放大器：三运放INA的基础操作简介

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：式4：将式3代入式4可得：式5：其中式5仅显示被增益G1放大的差分分量VD/2，共模电压VCM经过具有单位增益的输入级，并在随后被放大器A3的共模抑制抵消。

三运放仪表放大器

三运放仪表放大器

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。

基于三运放的仪表放大器的设计与制作

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。

仪用放大器的介绍

仪用放大器的介绍

一、仪用放大器的介绍：仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是，它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。

而噪声通常都是公共模噪声，所以在电路设计要求上，电路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。

因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度，在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。

例：在这些应用中，信号源的输出阻抗常常达几kΩ或更大，因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在DC到约1 MHz之间。

在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。

高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。

二、仪用放大器的基本电路：大多数仪用放大器采用3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器。

前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。

差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。

如下图：三运放方案是仪表放大器采用的惟一结构吗？可以采用具有两个运放的较少元器件的结构替代，但有两个缺点(图1b)。

首先，不对称的结构使CMRR较低，特别是高频时。

其次，可用于第一级的增益量有限。

输出级误差则反馈回输入端，导致相对入的噪声和补偿误差更大。

也有单运放组成的仪用放大器，在最基本的拓扑结构中，一个仪用放大器可由一个单一的运算放大器，见附录.三、仪用放大器的信号放大原理：现所设计的仪用放大器是三运放结构，如上图。

它是由运放A1，A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。

在第一级电路中，Vi1,Vi2分别加到A1和A2的同向端，Rg和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈。

由A1、A2虚短可得Vi1=V2；Vi2=V3； 3.1又由A1、A2虚断可得3.2又由A3虚断可得；整理得 3.3；整理得 3.4由A3虚短可得V5=V6； 3.5则由3.3式、3.4式和3.5式可得整理后可得3.6在上式中，如果我们选取电阻满足的关系，则输出电压可化简为3.7根据式3.2和3.7我们可以得到3.8而我们为了是电路对称，提高仪用放大器性能，我们选取电阻应满足R5=R6的关系，且VREF 通常接地，当我们对仪用放大器进行电路调零时，我们才会将VREF赋予一定电压（这在后面进行电路调零时会具体讲到），最终我们会得到输出电压的关系式为3.9电压增益则为3.10从该式中我们可直观的看到，我们可以根据选取R2/R1 和R5/Rg 电阻的比例关系，来达到不同的信号放大比例要求。