儀表放大器原理

儀表放大器（英語(yǔ)：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡(jiǎn)稱INA），差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測(cè)量以及電子儀器上。特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開(kāi)環(huán)增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗。儀表放大器用于需要精確性和穩(wěn)定性非常高的電路。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸入和相對(duì)參考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的2個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置。

儀表放大器組成

雖然儀表放大器在線路圖上是一顆運(yùn)算放大器；但實(shí)際上是由三顆運(yùn)算放大器所組成（如圖一所示）；儀表放大器分成兩個(gè)部分，輸入端的兩個(gè)電壓跟隨器提供輸入端（+，?）高輸入阻抗，后級(jí)則是差分放大器，用來(lái)做兩個(gè)輸入端的差分放大；不過(guò)，通常第二級(jí)的差分放大器的增益會(huì)設(shè)計(jì)為1，也就是只做兩個(gè)電壓的相減運(yùn)算。

其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減;差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=（1+2R1/Rg）Rf/R3。由公式可見(jiàn)，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。