电压运算放大器偏置电压国产的有推荐的没？电压需要放大至1000V左右，频率需要直流开始的？

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直流电压放大器

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仪表放大器工程师应用指南
www.plcworld.cn仪表放大器应用工程师指南A DESIGNER’S GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS第2版awww.analog.comwww.plcworld.cnwww.plcworld.cn仪表放大器应用工程师指南A DESIGNER’S GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS第2版［美］ Charles Kitchin 和 Lew Counts 著冯新强刘福强蒋晓颖审校刘竞秀等译高光天美国模拟器件公司 Analog Devises ,Inc.iwww.plcworld.cnAll rights reserved. This publication, or parts thereof, may not be reproduced in any form without permission of the copyright owner. Information furnished by Analog Devices, Inc. is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices, Inc. for its use. Analog Devices, Inc. makes no representation that the Interconnecttion of its circuits as described herein will not infringe on existing or future patent rights, nor do the descriptions contained herein imply the granting of licenses to make, use, or sell equipment constructed in accordance therewith. Specifications and prices are subject to change without notice. ?2004 Analog Devices, Inc. Printed in U.S.A. G/04(A) Simplified Chinese language edition by Analog Devices, Inc. Copyright ? 2005 本书中文简体专有翻译出版权由 ADI 公司所有，未经许可不得以任何形式或手段复制或抄袭本书内容。 iiwww.plcworld.cn目录第I章――仪表放大器的基本原理 .....................................................................................................................1-1 前言 .......................................................................................................................................................................1-1 仪表放大器与运算放大器的区别是什么？.........................................................................................................1-1 信号放大与CMR ...............................................................................................................................................1-1 运算放大器与仪表放大器的CMR比较 ..........................................................................................................1-3 差分放大器 ...........................................................................................................................................................1-5 在何处使用仪表放大器和差分放大器？.............................................................................................................1-5 数据采集 ...........................................................................................................................................................1-5 医用仪器 ...........................................................................................................................................................1-6 监测和控制电子设备 .......................................................................................................................................1-6 软件编程方面的应用 .......................................................................................................................................1-6 音频方面的应用 ...............................................................................................................................................1-6 高速信号调理 ...................................................................................................................................................1-6 视频方面的应用 ...............................................................................................................................................1-6 功率控制方面的应用 .......................................................................................................................................1-6 仪表放大器的外部特性 .......................................................................................................................................1-6 表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？.....................................................................................................1-7 高AC （和DC） CMR ............................................................................................................................................1-7 低失调电压和低失调电压漂移 .....................................................................................................................1-7 匹配的高输入阻抗 ...........................................................................................................................................1-8 低输入偏置电流和低失调电流误差 ...............................................................................................................1-8 低噪声 ...............................................................................................................................................................1-8 低非线性.............................................................................................................................................................1-8 增益选择方便 ...................................................................................................................................................1-8 充裕的带宽.........................................................................................................................................................1-8 差分输入到单端输出的转换 ...........................................................................................................................1-9 R-R输入和输出 ................................................................................................................................................1-9 电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系 ....................................................................................................1-9 第Ⅱ章――仪表放大器的内部原理 ...................................................................................................................2-1 单运放减法器提供的仪表放大器功能 ...........................................................................................................2-1 用输入缓冲器改进简单减法器 .......................................................................................................................2-1 三运放仪表放大器 ...........................................................................................................................................2-2 三运放仪表放大器设计考虑 ...........................................................................................................................2-3 基本的双运放仪表放大器 ...............................................................................................................................2-4 双运放仪表放大器――单电源共模电压制设计考虑 ...................................................................................2-5 自稳零仪表放大器 ...........................................................................................................................................2-6 第Ⅲ章――单片仪表放大器 ...............................................................................................................................3-1 优于用运放构成的仪表放大器 .......................................................................................................................3-1 采用仪表放大器还是差分放大器？ ...............................................................................................................3-1 单片仪表放大器设计――内部原理 ...................................................................................................................3-2 高性能仪表放大器 ...........................................................................................................................................3-2 固定增益仪表放大器 .......................................................................................................................................3-7 低成本仪表放大器 ...........................................................................................................................................3-8 单电源仪表放大器 ...........................................................................................................................................3-8 低功耗、单电源仪表放大器 ...........................................................................................................................3-11iiiwww.plcworld.cn第Ⅳ章――单片差分放大器 ...............................................................................................................................4-1 差分（减法器）放大器 ......................................................................................................................................4-1 高频差分（接收器）放大器 ...............................................................................................................................4-6 第Ⅴ章――仪表放大器的应用技巧 ...................................................................................................................5-1 双电源工作 .......................................................................................................................................................5-1 单电源工作 .......................................................................................................................................................5-1 电源旁路、解耦和稳定性问题 .........................................................................................................................5-1 输入接地返回的重要性 ...................................................................................................................................5-1 AC 输入耦合 ...................................................................................................................................................5-2 阻容元件匹配 ...................................................................................................................................................5-2 电缆终端 ...............................................................................................................................................................5-3 仪表放大器的输入保护基本原理 .......................................................................................................................5-3 防ESD和DC过载的输入保护 ..........................................................................................................................5-3 用外接二极管对输入保护 ...............................................................................................................................5-5 防ESD和瞬态过载的输入保护 .......................................................................................................................5-5 影响DC精度的设计问题 .....................................................................................................................................5-6 对最低限失调电压漂移的设计 .......................................................................................................................5-6 对最低限增益漂移的设计 ...............................................................................................................................5-6 实际解决方案 ...................................................................................................................................................5-7 采用优质的增益电阻器 .......................................................................................................................5-7 方案1：采用固定增益的仪表放大器 ...............................................................................................................5-7 方案2： RTI和RTO误差 ...................................................................................................................................................5-7 失调误差 ...........................................................................................................................................................5-8 噪声误差 ...........................................................................................................................................................5-8 降低仪表放大器电路中的RFI整流误差 ............................................................................................................5-8 设计实用的RFI滤波器 .....................................................................................................................................5-8 用食谱式方法选择 RFI ...........................................................................................................5-10 用试选法选择 RFI滤波器元件值 ...................................................................................................................5-10 具体的设计案例 .............................................................................................................................................5-10 用于AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路 ...............................................................................................5-10 用于微功耗仪表放大器的 RFI 抑制电路 .....................................................................................................5-11 用于AD623仪表放大器的RFI抑制电路 .......................................................................................................5-12 用于AD8225仪表放大器的RFI抑制电路 .....................................................................................................5-12 采用X2Y电容器的共模滤波器 .....................................................................................................................5-13 用于仪表放大器RFI滤波器的共模 RF扼流圈 ............................................................................................5-14 RFI测试 ..............................................................................................................................................................5-15 采用低通滤波器提高信噪比 .............................................................................................................................5-15 外部调整CMR和建立时间 ...............................................................................................................................5-17 第Ⅵ章――仪表放大器与差分放大器的应用电路 ...........................................................................................6-1 复合仪表放大器电路具有优良的高频CMR .......................................................................................................6-1 采用AC激励的应变计测量 .................................................................................................................................6-2 AD628精密增益IC的应用 ...................................................................................................................................6-3 为什么使用一种增益IC ？...............................................................................................................................6-3 具有单极点LP滤波器的标准差分输入ADC缓冲器 ......................................................................................6-4 改变输出比例系数 ...........................................................................................................................................6-4 用一只外部电阻器设置AD628的0.1以下增益 ..............................................................................................6-4 具有双极点LP滤波的差分输入电路 ..............................................................................................................6-5 用AD628构成精密增益IC ..............................................................................................................................6-6 用AD628接成＋10或者－10精密增益 ...........................................................................................................6-6 用AD628接成＋11精密增益 .........................................................................................................................6-7 用AD628接成＋1精密增益.............................................................................................................................6-8 用前馈增加带宽提供－9.91增益 ....................................................................................................................6-8ivwww.plcworld.cn电流变送器抑制接地噪声 ...................................................................................................................................6-9 高幅度模拟输入ADC接口 ................................................................................................................................6-10 高速同相求和放大器 .........................................................................................................................................6-11 高电压监测电路 .................................................................................................................................................6-13 单电源高CMR电路 ...........................................................................................................................................6-13 48V总线精密监测电路 ......................................................................................................................................6-15 采用低端开关的高端电流检测 .........................................................................................................................6-16 采用高端开关的高端电流检测 .........................................................................................................................6-17 电桥应用 .............................................................................................................................................................6-17 标准电桥电路 .................................................................................................................................................6-17 单电源数据采集系统 .....................................................................................................................................6-18 低压降双极性电桥驱动器 .............................................................................................................................6-18 传感器接口的应用 .............................................................................................................................................6-19 医用心电图仪的应用 .........................................................................................................................................6-19 远程负载检测技术 .............................................................................................................................................6-21 精密电压电流转换器 .........................................................................................................................................6-22 电流传感器接口 .................................................................................................................................................6-22 输出缓冲低功耗仪表放大器 .............................................................................................................................6-23 4 mA～20 mA单电源接收器 ............................................................................................................................6-23 单电源热电偶放大器 .........................................................................................................................................6-24 专业音频产品 .....................................................................................................................................................6-24 第Ⅶ章――仪表放大器与现代ADC匹配 ..........................................................................................................7-1 计算对ADC分辨率的要求 ..............................................................................................................................7-1 ADI公司仪表放大器与现代ADC匹配 ...........................................................................................................7-2 高速数据采集 ...................................................................................................................................................7-4 用于高速数据采集的仪表放大器电路 ...........................................................................................................7-6 附录A ――仪表放大器技术指标 ......................................................................................................................A-1 （A）技术指标(工作条件) ...............................................................................................................................A-3 （B） CMR .........................................................................................................................................................A-3 （C）AC CMR ..................................................................................................................................................A-3 （D）失调电压 ...............................................................................................................................................A-3 （E）输入偏置电流和失调电流 .....................................................................................................................A-4 （F）工作电压范围 ..........................................................................................................................................A-4 （G）静态电源电流 .........................................................................................................................................A-4 （H）建立时间 .................................................................................................................................................A-5 （I）增益 ..........................................................................................................................................................A-5 （J）增益范围 ..................................................................................................................................................A-5 （K）增益误差 .................................................................................................................................................A-5 （L）非线性误差 .............................................................................................................................................A-6 （M）增益与温度的关系 ................................................................................................................................A-6 （N）单电源仪表放大器的关键技术指标 .....................................................................................................A-6 输入和输出电压摆幅 ......................................................................................................................................A-6 附录B ――差分放大器和仪表放大器选择表 .................................................................................................B-1 索引 ......................................................................................................................................................................C-1 产品索引 ..............................................................................................................................................................D-1vwww.plcworld.cn参考文献Brokaw, Paul. “An IC Amplifier Users’ Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change.” Application Note AN-202. Analog Devices, Inc., 1990. Jung, Walter. IC Op Amp Cookbook. 3rd ed. Prentice-Hall PTR, , ISBN: 0-13-. This can also be purchased on the Web at http://dogbert.abebooks.com. Jung, Walter. Op Amp Applications Book. Analog Devices Amplifier Seminar. Code: OP-AMP-APPLIC-BOOK. Call: (800) 262-5643 (US and Canadian customers only). Kester, Walt. Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Devices, Inc., 1999, Section 10. ISBN-0--6. Available for download on the ADI website at www.analog.com. Nash, Eamon. “Errors and Error Budget Analysis in Instrumentation Amplifier Applications.” Application Note AN-539. Analog Devices, Inc. Nash, Eamon. “A Practical Review of Common-Mode and Instrumentation Amplifiers.” Sensors Magazine, July 1998. Sheingold, Dan, ed. Transducer Interface Handbook. Analog Devices, Inc. 1980, pp. 28-30. Wurcer, Scott and Jung, Walter. “Instrumentation Amplifiers Solve Unusual Design Problems.” Application Note AN-245. Applications Reference Manual. Analog Devices, Inc.致谢我们衷心感谢给予支持和帮助的 ADI 公司的以下同事：Moshe Gerstenhaber, Scott Wurcer, Stephen Lee, Alasdair Alexander, Chau Tran, Chuck Whiting, Eamon Nash ,Walt Kester, Alain Guery, Nicola O’Byrne, James Staley, Bill Riedel, Scott Pavlik, Matt Gaug, David Kruh, Cheryl O’Connor, 和 Lynne Hulme。感谢 X2Y 科技有限公司的 David Anthony 和韦尔设计工程公司的 Steven Weir 提供了关于 X2Y 产品用于 RFI 抑制的详细应用信息。最后，特别感谢 ADI 公司的通信服务团队，包括 John Galgay, Alex Wong , Deb Schopperle 和 Paul Wasserboehr。本书提到所有的品牌或者产品名称都属于各自所有权的商标或者注册商标。Purchase of licensed components of Analog Devices or one of its sublicensed Associated Companies conveys a license for the purchaser under the Philips I2C Patent Rights to use these components in an I2C system, provided that the system conforms to the I2C Standard Specification as defined by Philips.viwww.plcworld.cn第Ⅰ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。不是所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，并且所有的仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于许多领域，从电动机控制到数据采集以及汽车系统。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 ≥109 ?。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA 至 50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（m?）。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。与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。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 示出一个电桥前置电路，一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻器阻值改变，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，将其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流（DC）电压也施加到两输入端。这种直流电压通常在两输入端是相等的或是共模的。关于仪表放大器的主要作用，它通常抑制共模 DC 电压或者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，如果在此应用中采用一只标准的运算放大器，它仅仅能放大两端的信号电压和任何 DC 信号、噪声或其它共模电压。因此，该信号会淹没在电桥电源电压???????????????? ????? ? ? ????????????? ???????????????????图 1-1. AD8221 电桥电路DC 失调电压和噪声之中。由于这种原因，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱信号。图 1-2 对比了运算放大器与仪表放大器输入特性之间的差别。信号放大与 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。DC 和交流（AC）CMR 两者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 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。然而，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路（IC）仪表放大器提供了优良的 AC CMR 和 DC CMR。1-1www.plcworld.cn共模增益（ACM）是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与CMR有关。ACM是指两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益（衰减）。例如，一个仪表放大器的共模增益为 1/1000，其输入端的 10 V共模电压在其输出端会呈现出 10 mV的变化。差模增益或常模增益（AD）是指两个输入端施加（或跨接）不同的电压时输入与输出之间的电压增益。共模抑制比（CMRR）是指AD与ACM 之比。请注意在理想的仪表放大器中，CMRR将成比例随增益增加。 CMR 通常是在给定频率和规定不平衡源阻抗条件下（例如，60 Hz 频率，1 k? 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：?V ? CMRR = AD ? CM ? ?VOUT ?其中 AD是放大器差模增益。 VCM是呈现在放大器输入端的共模电压。 VOUT是当共模输入信号施加到放大器时呈现的输出电压。 CMR 是 CMRR 的对数表达形式，即： CMR = 20Log10 CMRR 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电压。这对于在有用带宽内能够抑制共模信号的仪表放大器来说是特别重要的。这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。在线电流测量?仪表放大器具有非常高的输入阻抗并且两端输入阻抗紧密匹配，使其适合测量低电压和小电流――不降低输入信号源的带载能力。????仪表?? 放大器??????参考电压?????????????仪表?? 放大器??????典型仪表放大器输入阻抗很高并且两端输入阻抗相等。由于输入电流微弱，因此IB×R产生很小的误差电压。B用电桥测量电压????? ? ?? ? ???? ～ ?????仪表放大器输入特性?? ??? ? ?? ? ??? ～ ???? ? ? ????? ??? ? ?? ????? ～ ?????? ? ? ? ? ??????? ?? ?? ?? ?????? ??典型 ?? 运放典型运放??????图示为典型运放在反向放大工作方式下的输入阻抗―― 如输入端所示运算放大器输入特性图示为典型运放在开环条件下的输入阻抗???? ? ???? ? ???? ～ ?????图 1-2. 运算放大器与仪表放大器输入特性比较1-2www.plcworld.cn对于如何降低由于频带外的信号可能产生的 DC 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（G = 1）时，典型的 DC CMR 值为 70 dB 至 100 dB 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。然而，带有预调整电阻（以提供足够大的 CMR）网络的单片仪表放大器应用起来非常方便。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示出一个运算放大器，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 0 V。因此，对应于 0 V差分输入，该运算放大器的输出端电压必须等于VCM。但是共模电压与信虽然运算放大器具有 CMR，号电压一起被传送到输出端。实际上，信号通过运算放大器的闭环增益被放大而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，共模电压依然出现在输出端并且它的存在降低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（DC 或 AC）都是非常讨厌的。VOUT = (VIN ? GAIN) ?VCM G = R2/R1 共模增益 = 1 VC = VCMR1R2VCMVCMVIN0VVOUT V+ = VCM图 1-3a. 在利用运算放大器构成的一个典型的反相或同相放大器电路中，信号电压和共模电压都出现在放大器的输出端。1-3www.plcworld.cn图 1-3b 示出一个三运放仪表放大器的运算放大器，工作在上述相同条件下。请注意，像运算放大器电路一样，仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益通过共模信号。相反，两个缓冲器放大信号电压。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 10,000∶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 示出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 DC 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 80 dB 的 CMR，并允许使用低成本、非稳压的 DC 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 48 dB CMR，因此需要一种经过稳压的 DC 电源来激励电桥。缓冲器VCMVCMVOUT = VIN ? G VCM 减法器 VOUTVINRGVIN ? G VCM = 0VCM缓冲器VCM三运放仪表放大器图 1-3b. 正如上述运算放大器电路，仪表放大器电路的输入缓冲器放大信号电压，同时以单位增益通过共模电压。然而，仪表放大器的减法器单元却能抑制共模电压。电源电压VCM电桥传感器VIN仪表放大器VOUTVCM内部或外部增益电阻器图 1-3c. 用于电桥电路的仪表放大器。这里的 DC 共模电压很容易接近电源电压1-4www.plcworld.cn图 1-3d 示出一个差分（减法器）放大器，它用于监测电池组中一节电池的电压。这里的 DC 共模电压会很容易超过放大器的电源电压。有些单片差分放大器（例如 AD629）可以在高达±270 V 共模电压条件下工作。差分放大器图 1-4 示出一个差分放大器的框图。这种类型它通常由一个的 IC 是一种特殊用途的仪表放大器，减法器放大器及其随后的一个输出缓冲器（也许是一级增益）组成。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。许多差分放大器都适合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采用阻值很高的输入电阻器以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。普通的电桥应用包括使用负荷传感器的应变力和重量测量以及使用电阻温度检测器（RTD）的温度测量。差分放大器VCM 380k?380k?VIN380k? VCM 380k?VOUT图 1-3d. 差分放大器在 DC（或 AC）共模电压可能超过电源电压的应用场合（例如检测电池组中的一节电池的电压）特别有用。???? ??????? ?????????????????????差分输入信号????????????????????????????????????????????????????? 到 ????????? ????????????????????????图 1-4. 差分放大器 IC1-5www.plcworld.cn医用仪器仪表放大器广泛用于医用设备，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。音频方面的应用所以有时将它们由于仪表放大器具有高 CMR，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 DC 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 AC 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 示出仪表放大器的功能框图。噪声增益选择DC 电信号源同相输入???? ????源????仪表放大器噪声反相输入噪声??????????? ?负载???共模电压增益选择有两种方法：一种是连接有关引脚，另一种是使用外部电阻器。电源地? 负载返回 ?图 1-5. 差分与共模输入信号1-6www.plcworld.cn由于一个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。可以利用内部电阻器或者外部电阻器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。这些实际问题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，这些电流流仪表放大器依靠高过RCM将产生共模电压误差VCM。 CMR特性放大差分信号的同时抑制VCM和任何共模噪声。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。另一方面，仪表放大器也可采用单电源（满电源摆幅）正常工作。一个仪表放大器可以是用一个或多个运算放大器及一些电阻器构成的分立式结构，也可以设计成单片式结构，两种方法各有优缺点。通常分立式结构仪表放大器可以低成本提供设计灵活性，并且有时能提供单片式结构无法达到的性能，例如甚高频带。相反，单片式结构提供了完整的仪表放大器功能，完全达到规定的技术指标，并且通常出厂时经过微调，通常其 DC 精度高于分立式结构。单片式仪表放大器还具有尺寸非常小、成本低并且简单易用的优势。表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？具有高 CMR 的仪表放大器需要下述一些特性。高 AC（和 DC）CMR 至少在需要抑制的输入频率范围内，仪表放大器的 CMR 应该很高。这包括在输电线频率及其二次谐波频率范围具有高 CMR。低失调电压和低失调电压漂移像运算放大器一样，仪表放大器必须具有低失调电压。由于仪表放大器由两个独立的部分组成：输入级和输出级。总输出失调等于输入失调乘以增益加上输出放大器（仪表放大器内部的）失调。输入失调和输出失调的典型值分别为 1 μV/℃ 和 10 μV/℃。虽然初始失调电压通过外部调整为零，但失调电压漂移不能够通过调整来消除。像失调电压一样，仪表放大器的失调漂移也由两部分组成，即输入部分和输出部分，每一部分都对总误差起作用。当增益增加时，输入级的失调成为主要的失调误差源。1-7www.plcworld.cn匹配的高输入阻抗仪表放大器的同相输入端的和反相输入端的阻抗必须很高而且相互之间紧密匹配。为避免降低输入信号源的带载能力（也会下降输入信号电压），仪表放大器的高输入阻抗是必须的。输入阻抗的典型值为 109 ?至 1012 ?。差分放大器（例如AD629）具有较低的输入阻抗，但是在高共模电压的应用方面非常有效。低输入偏置电流和低失调电流误差还像是运算放大器一样，仪表放大器具有偏置电流流入和流出它的两个输入端：对于双极型输入仪表放大器是基极电流；对于场效应管（FET）输入仪表放大器是栅极漏电流。这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。应当注意，如果输入源电阻无限大，例如用 AC（电容）输入耦合而没有一个电阻性的路径返回到电源地，输入共模电压将上升直到放大器处于饱和状态。为防止这一问题，通常用一只高阻值的电阻把每个输入端和地相连。用输入偏置电流乘以电阻的欧姆值后其典型值应小于 10 mV（见第Ⅴ章）。输入失调电流误差被定义为流过两个输入端的偏置电流之间的失配程度。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA 至 50 nA；而 FET 输入仪表放大器的偏置电流在室温下的典型值为 1 pA 至 50 pA。低噪声因为仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，所以它绝对不能把自身的噪声信号加到信号电压上。在 1 kHz（增益大于 100）的条件下，折合到输入端（RTI）的最小输入噪声为 10 nV/√Hz 是允许的。微功耗仪表放大器适合于尽可能最低的输入电流，通常比输入电流较大的仪表放大器具有较高的噪声。低非线性输入失调和比例系数误差都能通过外部调整来修正，但是非线性是器件的固有的性能限制，所以它不能由外部调整来消除。低非线性误差必须由仪表放大器生产厂家的结构设计来保证。非线性通常规定为在正满度电压与负满度电压及零电压条件下，厂家测量仪表放大器的误差占满度的百分数。对于一个高质量的仪表放大器典型的非线性误差为 0.01%，有的甚至低于 0.0001%。增益选择方便增益选择应该很容易。通常采用一只外部增益电阻设置增益，但是外部电阻会影响电路的精度并且增益随温度漂移。仪表放大器（例如 AD621）提供一种通过引脚选择内部预置增益的方法，并且具有非常低的 TC。充裕的带宽仪表放大器对于具体的应用必须提供足够的带宽。因为典型的单位增益小信号带宽是在 500 kHz 到 4 MHz 之间，在低增益时带宽容易达到，但是在较高增益时带宽会成为较大的问题。微功耗仪表放大器通常比标准的仪表放大器具有较低的带宽，因为微功耗仪表放大器输入级的工作电流比标准仪表放大器小很多。1-8www.plcworld.cn差分输入到单端输出的转换当然，差分输入到单端输出的转换是构成仪表放大器完整功能的一部分：放大和缓冲差分输入电压，提供单端输出电压。在许多仪表放大器应用中需要放大叠加在高共模电压之上的差分电压。这种共模电压可能是噪声、模数转换器（ADC）失调电压或者两者兼有。如果用运算放大器而不用仪表放大器只能简单地以相同增益一起放大共模电压和信号电压。而仪表放大器提供的最大优点是选择性地放大（差分）信号同时抑制共模信号。 R-R 输入和输出现代仪表放大器常常需要 5 V 或低于 5 V 的单电源电压供电。在许多这类应用中，经常用到满电源摆幅(R-R)输入 ADC。所谓满电源摆幅工作的含义是指放大器的最大输入摆幅或输出摆幅几乎等于电源电压。实际上，输入摆幅有时会稍微超过电源电压，而输出信号常常在高于地电位或低于电源电压 100mV 范围内摆动。请仔细注意推荐的产品技术资料中的技术指标。电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系按照一般规律，仪表放大器的输入部分的工作电流越大，其带宽和转换速率越高并且噪声越低。但是较大的工作电流意味着较大的功耗及发热。电池供电的设备需要低功耗的器件，布线密集的印制电路板（PCB）必须能够散发掉所有有源器件产生的热量。器件发热又会增加失调漂移和其它与温度相关误差。IC 应用工程师经常必须以牺牲一些技术指标为代价来维持功耗和漂移达到可接受的水平。1-9www.plcworld.cn第Ⅱ章仪表放大器的内部原理另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比单运放减法器提供的仪表放大器功能实现差分增益电路的最简单（但是却非常实用）值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，的方法如图 2-1 所示。所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只 ?? ?? 电阻值有 0.1% 失配，其 CMR 便下降到 66 dB ????? ????? ???? （2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 ?的不平衡将反相输入端使CMR下降 6 dB。 ??? ???? ? ????? ? ???? ?????? ????? ?? ?????????? ?? ? ?????? ???当 ?? ? ??? ?? ? ???????? ?????同相输入端图 2-1. 用单运放实现仪表放大器的差分放大器电路功能框图如果R1 ＝ R3，R2 ＝ R4，则 VOUT = (VIN2―VIN1)(R2/R1) 虽然这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 k?，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即 200 k?。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低电路的） CMRR。尽管有这些缺点，这种简单的仪表放大器电路在高性能仪表放大器内部作为一个单元电路还是很有用的，通常称之为差分放大器或减法器。它在视频和其它高速应用中，或者在低频、高共模电压（CMV）应用中可作为一个独立功能电路也是非常有用的，其中输入电阻器用来隔离降低输入电压，也为该放大器提供输入保护。有些单片差分放大器，例如 ADI 公司的 AD629 在芯片设计时对这种简单的减法器电路做了改进。这样允许该芯片能够处理高于自身电源电压的共模输入电压。例如，当 AD629 采用 ±15 V 电压供电时，它可以放大叠加在高达 ±270 V 共模电压上的信号电压。用输入缓冲器改进简单减法器显著改进简单减法器电路性能的一种明显的方法是在其前端增加高输入阻抗的缓冲放大器，正如图 2-2 中示出的用三运算放大器组成的仪表放大器电路。?????????? ??????? ?????? ??? ???????反相输入端???????? ??????? ?? ?????? ???? ? ????? ? ???? ?? ??? ?? 当 ?? ? ??? ?? ? ??????????????????? ???????????同相输入端输入级输出级图 2-2. 带输入缓冲的减法器电路2-1www.plcworld.cn这个电路提供两端匹配的高阻抗以便使输入源阻抗对电路共模抑制的影响为最小。使用两个运算放大器作为两个输入端的缓冲放大器是一种最佳结构，因为它们会相互很一致地跟随温度变化并减小封装尺寸。虽然图 2-2 所示电路的电阻值与图 2-1 所示的电路不同，但是这两个电路具有相同的转换特性。图 2-3 示出对上述电路的进一步的改进：现在输入缓冲器具有增益作用，它提供一个更加灵活的电路。如果R5 ＝ R8，R6 ＝ R7以及与以前一样R1＝ R3，R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN 2 ? VIN1 )(1 + R5 / R6 )(R2 / R1 )当图 2-3 所示的电路增加增益（A1 和 A2）时，它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。?????三运放仪表放大器图 2-4 所示的电路提供了更进一步的改进并且已经成为仪表放大器设计最流行的结构。这种标准的三运放仪表放大器电路是对图 2-3 带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样，图 2-4 中的 A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了图 2-3 所示电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2 的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。?????? ??????? ?????? ??? ???????反相输入端????????????? ?? ????? ????????? ?? ???? ? ????? ? ???? ?? ? ? ??????? ?? ?? 当 ?? ? ??? ?? ? ??? ?? ? ??? ?? ? ?????????????????????????????????????同相输入端输入级输出级图 2-3. 带增益缓冲放大器的缓冲减法器电路?????? ??????? ?????? ??? ?????????? 反相输入端??????????????? ?? ???????????????? ?? ???? ? ????? ? ?????? ? ? ??????? ?? ??????????当 ?? ? ??? ?? ? ??? ?? ? ??????????? 同相输入端?????????????????输入级输出级图 2-4. 标准三运放仪表放大器电路2-2www.plcworld.cn这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6， R1＝ R3和R2 ＝ R4，则 V OUT = (V IN 2 －V IN 1 )(1 ＋2R 5 /R G )(R 2 /R 1 ) 由于 RG 两端的电压等于VIN ，所以流过RG 的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无，放大器A1 和A2 将作为单位增益电流流过R5和R6）跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过〕的输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）增益系数被放大。在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增，而不增加共模增益和误差，即益（由RG来决定）差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，（〕 / 共模误差电压）（差分输入电压）〔增益所以比率将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。三运放仪表放大器设计考虑三运算放大器组成的仪表放大器可以有两种方法：场效应晶体管（FET）或双极型输入的运算放大器。FET输入的运算放大器有非常低的偏置电流，通常适用于很高的源阻抗（＞106 ?）的场合。但FET 放大器通常具有较低的CMR、较大的失调电压，并且其失调电压漂移也大于双极型放大器。对于给定的电源，FET运放的转换速率较高。检测端（SENSE）和参考端(REF)（如图 2-4 所示）允许用户改变 A3 的反馈和接地线路。检测端可以接受外部驱动用于伺服应用和其它需要改变 A3 增益的场合。同样，参考端允许将外部偏移电压施加到 A3。对于正常工作方式，将检测端和输出端连接在一起，作为参考端和接地端。双极型输入级的放大器与FET输入级的放大器相比具有较高的CMR和较低的输入失调电压漂移。超 β 双极型输入级具有 FET 和双极型的许多共同的优点，它具有比FET输入级更低的输入偏置电流（IB）漂移。B对于使用三运放结构仪表放大器的粗心设计工程师的一个共同而经常忽视的问题是仪表放大器工最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共作在高增益时，其共模电压范围（CMV）降低。图模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。 2-5 所示为一个三运放结构仪表放大器在增益为这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些 1,000 时的原理图。特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。?? ? ? ????????????? ?????????反相输入信号电压???? ??? ????????????同相输入共模误差电压?????*施加 10 mVp-p 输入信号，从 A1 与 A2 输出将是 5 mV×1000＝5 V 再加共模电压（CMV）。???????????? ?? ? ? ???????图 2-5. 三运放仪表放大器呈现共模电压范围下降2-3www.plcworld.cn在这个例子中，输入放大器 A1 和 A2 工作增益为 1,000，而输出放大器为单位增益。这意味着，每个输入放大器输出电压将等于输入电压峰峰值的一半乘以 1,000，加上输入端的共模电压（共模电压仅以单位增益通过，而与差分增益无关）。因此，如果一个 10 mV 的差分信号施加到放大器输入端，那么放大器 A1 的输出将等于＋5 V 加上共模电压，放大器 A2 的输出将等于－5 V 加上共模电压。如果放大则通常留有 7 V 左右的余量，器在 15 V 电源下工作，从而允许有一个 8 V 的共模电压，而不是在单位增益（对于 10 mV 输入）时典型共模电压满度值 12 V。增益越高或电源电压越低都将进一步减小共模电压范围。这种电路的缺点是，不能以单位增益工作，当电路增益降低时共模电压范围降低以及很低（或很差）的AC CMR。很差的AC CMR是由于VIN1和VIN2 两个输入端相位出现不等的相移，即该信号在从放因此在大器A2 的VIN2减去之前必须通过放大器A1。 A1 输出端的电压略微滞后，或相对VIN1相移。由双运放电路组成的仪表放大器通常采用最小电路增益为 5，因为这允许有一个足够宽的DC共模输入范围，以及足够宽的带宽适合大多数应用。采用单电源R-R放大器会将共模电压范围向低端扩展到－VS (或单电源工作的地电位)，高端达到真正R-R 。输出电压范围（即，输出摆幅从－VS到＋VS）表 2-1 示出图 2-6 电路中放大器增益与电路增基本的双运放仪表放大器图 2-6 是一个典型双运放仪表放大器电路的原益的对应关系，并且给出了适合几种常用电路增益理图。它有一个显著的优点，即它仅需要两个运算的 1%精度的实际电阻值。放大器而不需要三个，从而使它节省了成本和功耗。表 2-1. 图 2-6 电路中放大器 A1 与 A2 的增益和然而，双运放仪表放大器电路的非对称结构会导致电路增益及其 1%精度的实际电阻值几个缺点，与三运放仪表放大器相比最显明显的缺点是降低了 AC CMR，从而限制了该电路的应用性。电路增益 A1 增益 A2 增益 R2，R3 R1，R4 该电路的转换特性是：1.10 1.33 1.50 2.00 10.1 101.0
4.01 3.00 2.00 1.11 1.01 1.001 1.10 1.33 1.50 2.00 10.10 101.0
k? 150 k? 100 k? 49.9 k? 5.49 k? 499 ? 49.9 ? 49.9 k? 49.9 k? 49.9 k? 49.9 k? 49.9 k? 49.9 k? 49.9 k?VOUT = (V IN 2 ? V IN 1 )(1 + R 4 / R3 )当R1 ＝ R4和R2 ＝ R3时，该电路具有输入阻抗高且平衡，允许信号源有不平衡输出阻抗。此外，它的输入偏置电流通过双运放同相输入端所需电流设定，其典型值非常低。（可选择的） ???????? ??????? ?????? ?? ??????? ??? ????????? ??????????? ???????? ?????? ??? ?????????????? ?????????????? ?? ? ???? ??? ? ? ??? ?? ??*选择输入保护电阻，用于增益大于 100 或输入电压超过电源电压。???? ? ? ??? ? ????当 ?? ? ??? ?? ? ??图 2-6. 双运放仪表放大器电路2-4www.plcworld.cn双运放仪表放大器――单电源共模电压设计考虑当从图 2-7 所示双运放仪表放大器的参考输入端进行分析时，很显然它是一个简单的双反相器级联。假设两个信号输入端VIN1和VIN2的电压都为 0，那么A1 的输出将等于图 2-8 所示为双运放仪表放大器工作于 5 V单电源的电路图。参考输入端接VS /2，这里是 2.5 V。对于 0 V差分输入电压，并且对于在电源电压范围内（0 V至 5 V）的任何共模电压，理想情况下其输出电压应该为 2.5 V。当共模电压从 2.5 V增加到 5 V时，A1（VO1）的输出电压将等于VO1 = ?V REF ( R 2 / R1 )对 VREF端施加一个正电压是为了驱动 A1 负的输出电压，如果放大器采用一个单电源电压工作（＋ VS和 0 V），这显然是不可能的。从放大器A1 的输出至A2 的电路输出VOUT的增益等于VO1 = VCM + (VCM ? VREF )( R2 / R1 )在这里，VREF = 2.5 V并且R2/R1 = 1/4。当VCM = 4.5 V时，A1 的输出电压将达到 5 V。显然，不能抑制继续增加共模电压。实际上，放大器A1 和A2 的输入电压范围的局限性会限制仪表放大器的共模电压范围小于 4.5 V。当VCM 同样，当共模电压从 2.5 V降低到 0 V时，＝ 0.5 V时，A1 的输出电压将为 0 V。显然，A1 的输出不能比负电源电位（假设非电荷泵）更低，对于单电源工作，这里的负电源等于 0 V。这个负值或 0 共模电压范围限制能够通过适当设计仪表放大器的内部电平移动来克服，例如AD627 单片双运放仪表放大器。然而，即使采用优良的设计，为达到 0 共模电压工作，要降低一些正共模电压范围。VOUT = ?VO1 ( R 4 / R3 )从VREF至VOUT的增益是这两级增益的乘积，等于VOUT = ?V REF ( R 2 / R1 )( ? R 4 / R3 )在这里，R1 = R4及R2 = R3。因此参考端增益同预期的一样为＋1。应当注意的是，与一个典型三运放仪表放大器电路中参考输入端的同相信号路径进行对比，这是两次反相的结果。像三运放仪表放大器一样，双运放仪表放大器的共模电压范围会受到单电源工作电压和选择参考电压的限制。???? ?? ??? ?? ??? ???? ????? ??? ?? ???? ???????????图 2-7. 双运放仪表放大器电路结构??? ????? ?????? ????? ?? ??? ?? ???? ? ????? ? ?????? ?? ??? ??????? ?? ???? ???? ?? ?? ??? ?? ? ? ???? ?? ??????? ? ?? ? ???? ? ? ?? ?? ???? ?? ??? ?? ???图 2-8. 采用 2.5 V 参考电压的双运放仪表放大器输出摆幅限制2-5www.plcworld.cn与三运放仪表放大器设计比较，标准双运放仪表放大器的另一个也许较严重的限制是其难达到高 AC CMR 的固有缺欠。这种限制来源于双放大器电路内部的共模信号路径固有的不对称。假设一个频率为 FCM 的正弦波共模电压 VCM 以共模方式施加到图 2-8 所示的输入端VIN1和VIN2。理想情况下，AC输出电压（共模误差）的幅度应是 0 V，而与频率FCM无关（至少在正常AC输电线主频。输电线经常是许多共模干范围：50 Hz～400 Hz）扰的误差源。如果AC共模误差为 0，那么放大器A2 及其增益电阻R3和R4在直接施加到VIN2的共模电压与经过 A1 及其相关增益电阻R1和R2放大后的共模电压之间必须检测到零瞬态差值。任何DC共模误差（假设忽略来自放大器本身的CMR误差）都能够通过调整 R1，R2，R3和R4之间电阻的比率达到平衡来消除，即： R1 ≡ R4和R2 ≡ R3 然而，任何由于放大器A1 产生的相移（延迟）将导致其输出端 VO1 的电压略微滞后于直接施加在 VIN2的共模电压。即使VO1和VIN2两个电压的幅值都为理想值，两者之间的相位差将引起VO1与VIN2之间产生瞬时（矢量）偏差。这将在电路的输出端VOUT产生一个依赖共模误差电压的频率。此外，这个AC共模误差将随共模频率线性地增加，因为A1 产生的相移（假设单极点滚降）会直接随频率增加。实际上，对于小于A1 闭环带宽（fT1）1/10 的频率，其共模误差（折合到仪表放大器的输入端）能够按下式近似计算：??? ??? ??? ?? ?? ??? ???? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?? ??? ?? ??? ???? ??? ? ? ????? ? ???频率(Hz)图 2-9. AD627 仪表放大器电路的 CMR 与频率的关系决定，并且共模频率是 100 Hz，则：共模误差 =100Hz 100kHz(100% ) = 0.1%0.1%的共模误差相当于 60 dB 的 CMR。因此，在本例中，即使将该电路的 DC CMR 调整到 100 dB，这只是对频率小于 1 Hz 时有效。在 100 Hz 时 CMR 不优于 60 dB。 AD627 单片仪表放大器嵌入一个高级版本的双运放仪表放大器电路，克服了这些 AC CMR 的限制问题。如图 2-9 所示，在频率高达 8 kHz，增益为即使放大器 AD627 的 CMR 超过 80 dB ， 1000 时， A1 和 A2 的带宽只有 150 kHz。上述减法器中用到的这四只电阻器通常都集成到 IC 内部并且一般具有很高的电阻值。高共模电压 f V /G × 100％ = CM × 100％共模误差 = E 差分放大器通常采用可选择的输入电阻器以提供电 VCM fT1 压衰减。因此，差分信号电压和共模电压都被衰减，其中，VE是VOUT端的共模误差电压，G是差分增益，先抑制共模电压，然后再放大信号电压。在这里G = 5。自稳零仪表放大器自动调零（或自稳零）是一种动态地抵消失调例如，如果 A1 的闭环带宽是 100 kHz（低功耗电压和失调电压漂移的技术，它能将相对输入端的仪表放大器的典型值），当工作时增益由 R1 和 R2 失调电压降低到 μV 级，并且将失调电压漂移降低到 nV/°C 级。2-6www.plcworld.cn动态抵消失调的另外一个优点是降低了低频噪声，特别是 1/f 噪声。AD8230 是一种利用自稳零电路结构并且兼备高共模信号抑制能力的仪表放大器。其内部信号路径由一个有源差分采样保持级（前置放大器）和一个差分放大器（增益放大器）组成。两个放大器都能实现自稳零，使失调和漂移减到最低。全差分电路结构增强了对寄生噪声和温度影响的抵抗能力。放大器增益由两只外部电阻器设置以便温度系数在时钟相位B期间，CSAMPLE的上极板采集了模（±5 V）拟输入信号，消除了输入的共模成分。该前置放大 AD8230 能够接受包括电源电压匹配。（TC）。当CSAMPLE 在内的共模电压输入。器的共模输出被保持在参考电位（VREF）的下极板连接到前置放大器的输出端时，输入信号信号采样速率由芯片内部电路控制，包括 10 的共模电压被下拉到放大器的共模电压VREF。用这 kHz 振荡器和驱动非重叠时钟相位所需要的逻辑电种方法，使 CSAMPLE 与前置放大器有相同的共模电路。为简化功能描述，我们采用两个相继的时钟相压。这里将保留的差分信号提供给增益放大器，刷位 A 和 B 来区别分别由图 2-10 和图 2-11 所描述的新如图 2-11 所示的CHOLD的信号电压。内部工作顺序。在时钟相位A期间，将采样电容器（CSAMPLE）连接到含有共模电压的输入信号端。该输入信号的差分电压（VDIFF）被储存在CSAMPLE的两极板上。输入的共模电位影响 CSAMPLE 只要 CSAMPLE 与前置放大器处于不同的共模电位。在此期间，将增益放大器与前置放大器断开以使其输出保持在以前采样的输入信号幅度，保持在如图 2-10 所示的保持电容器（CHOLD）上。前置放大器V+IN VDIFF +VCM + C C +增益放大器CHOLDCSAMPLEVOUTCHOLDVCINRGVREFRF图 2-10. AD8230 在时钟相位A的采样期间。输入信号的差分成分被储存在CSAMPLE上。增益放大器调理储存在CHOLD上的信号。增益由电阻器RG和RF设置。前置放大器V+IN VDIFF +VCM + C C +增益放大器CHOLDCSAMPLEVOUTCHOLDVCINRGVREFRF图 2-11. AD8230 在时钟相位B的采样期间。差分信号被转移到CHOLD上，刷新储存在CHOLD上的信号电压值。增益放大器继续调理储存在CHOLD上的信号。2-7www.plcworld.cn图 2-12 至图 2-15 示出AD8230 比较详细的内部工作过程。如上所述，前置放大器和增益放大器都可以自动调零。如图 2-12 所示，在时钟相位A期间前置放大器自动调零，同时CSAMPLE连接到信号源。通过将前置放大器的差分输入端连接在一起，致使折合到输出端的失调电压连接到前置放大器的一个辅助输入端口。经过负反馈作用强制抵消了该辅助端口的电位，接着将它保持在一个储存电容器（CP_HOLD）上。在时钟相位A期间，如图 2-13 所示的增益放大增益放大器读取上一次保存在CHOLD上的采样信号。器执行前馈失调电压补偿以使主放大器及其连续输出信号明显为零。利用一个双差分输入结构使信号在通过主放大器和前馈调零放大器时始终保持差分信号状态。该调零放大器比较这两个差分信号的输入。结果，将失调误差送到主放大器的调零端口（VNULL），并且保存在CM_HOLD上。这种操作有效地强制在信号端和主放大器的前馈端口的差分输入电位相等。这是对失调调零的要求。增益放大器前置放大器V+IN ?A ?B?B VDIFF +VCM CSAMPLE ?B ?A VCIN ?B ?A CP_HOLD ?A + C C + ?A ?A?BCHOLDVOUT?BCHOLDVREF RG RF图 2-12. 在时钟相位A期间前置放大器的详细原理图。差分信号被储存在CSAMPLE上。同时，前置放大器消除自身的失调并将修正的电压储存在它的CP_HOLD上。前置放大器增益放大器Sn抵消放大器?B ?A?Bfn?B?A?A CN_HOLDCHOLD + C C + ?B ?B CHOLD f CM_HOLD s VNULL VOUT主放大器VREFRGRF图 2-13. 在时钟相位A期间增益放大器的详细原理图。主放大器调理保持在CHOLD上的信号。调零放大器通过将一个修正电压加到VNULL端口强制主放大器的两输入端电压相等，从而消除主放大器失调。修正电压储存在CM_HOLD上。2-8www.plcworld.cn在时钟相位B期间，如图 2-14 所示的前置放大器的两个输入端不再被短接，并且采样电容器被连接到前置放大器的输入和输出端。前置放大器在时钟相位A期间已经过自动调零，所以具有最低的失调电压。当将采样电容连接到该前置放大器时，使采样电容的共模电压被拉到VREF电位。该前置放大器输出的差分信号保持在CHOLD上。主放大器继续输出经过放大的差分信号，如图 2-15 所示。利用在时钟相位A期间储存在CM_HOLD上的调零放大器的修正电位，使主放大器的失调误差保持最低。在这期间，调零放大器比较它的两个差分输入端并且通过驱动一个修正电压到其调零端口修正其自身的失调，最终保持在CN_HOLD上。按照这种方式，在调零放大器修正下一次时钟相位A的主放大器的失调之前，在时钟相位B期间调零放大器降低其自身的失调。是一种具有软件一种相关的产品――AD8555，可编程增益功能的零漂移、单电源、传感器放大器。有关这种产品详细信息请见 ADI 公司的网站： www.analog.com。前置放大器V+IN增益放大器?A?B?B VDIFF +VCM CSAMPLE ?B ?A VCIN ?B ?ACP_HOLD?A+ CC + ?A?A?BCHOLDVOUT?BCHOLDVREFRGRF图 2-14. 在时钟相位 B 期间前置放大器的详细原理图。前置放大器的失调保持很低，因为在时钟相位A期间对其失调进行过修正。将CSAMPLE连接到前置放大器的输入和输出端并且将其差分电压输送到CHOLD上。2-9www.plcworld.cn前置放大器增益放大器调零放大器?B ?ASn?Bfn?B?A?ACHOLD+ C C +?B ?BCN_HOLD CM_HOLDsVNULLVOUTCHOLDf主放大器VREFRGRF图 2-15. 在时钟相位 B 期间增益放大器的详细原理图。调零放大器通过将一个修正电压加到它的辅助端口消除其自身的失调并且将其储存在CN_HOLD上。主放大器继续调理保持在CHOLD上的差分信号，一直保持最低的失调，因为在时钟相位A期间对其失调进行过修正。2-10www.plcworld.cn第Ⅲ章单片仪表放大器优于用运放构成的仪表放大器为了满足对更容易应用的仪表放大器的需求， ADI 公司研发出单片 IC 仪表放大器。这些 IC 包含对如前所述的三运放和双运放仪表放大器电路的改进，同时提供激光微调的电阻器和其它有益于单片 IC 的技术。由于有源器件和无源器件现在都在同一颗管芯内，所以它们能够精密匹配――这保证了器件提供高 CMR。另外，这些器件在整个温度范围内保持匹配，从而保证了在宽温度范围内优良的性能。 IC 技术（例如，激光晶圆微调）能够使单片集成电路调整到极高精度并且提供低成本、高量产。单片仪表放大器的另一个优点是它们可以采用尺寸极小、成本极低的 SOIC 或 MSOP 封装，适合用于高量产。表 3-1 提供一个 ADI 公司仪表放大器性能快速一览表。采用仪表放大器还是差分放大器? 尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。差分放大器本质上是一个运放减法器，通常使用大阻值输入电阻器。电阻器通过限制放大器的输入电流提供保护。它们还将输入共模电压和差分电压减小到可被内部减法放大器处理的范围。总之，差分放大器应当用于共模电压或瞬态电压可能会超过电源电压的应用中。与差分放大器相比，仪表放大器通常是带有两个输入缓冲放大器的运放减法器。当总输入共模电压加上输入差分电压（包括瞬态电压）小于电源电压时，应当使用仪表放大器。在最高精度、最高信噪比（SNR）和最低输入偏置电流（IB）是至关重要的应用中，也需要使用仪表放大器。B表 3-1. ADI公司最新一代仪表放大器性能一览表1－3dB电源产品型号特点电流 (典型值) AD8221 精密，高带宽 0.9 mA AD620 通用 0.9 mA AD8225 精密增益 = 5 1.1 mA 0.9 mA 低成本 AD622 AD621 精密增益 0.9 mA AD623 低成本, S.S. 375 μA AD627 微功耗, S.S. 60 μA注： S.S. = 单电源。1 2带宽(kHz) (典型值) (G = 10) 560 800
800 80CMR G = 10 (dB) (最小值) , 5 863 933 903 100输入失调电压 (最大值) 60 μV 125 μV 150 μV 125 μV 250 μV6 200 μV 250 μV失调电压漂移 (μV/℃) (最大值) 0.4 1 0.3 1 2.56 2 3RTI 噪声2 nV/√Hz (G = 10) 11 (最大值) 16 (最大值) 45 (典型值)4 14 (典型值) 17 (最大值)6 35 (典型值) 42 (典型值)输入偏置电流(nA) (最大值) 1.5 2 1.2 5 2 25 10最新产品和技术指标请参考ADI公司网站：www.analog.com。在 1 kHz频率条件下，RTI噪声 = ÷((eni)2 + (eno/G)2)。 3 对于DC～60 Hz频率范围，1 k?源阻抗不平衡。 4 工作在增益为 5 条件下。 5 对于 10 kHz频率，1 k?源阻抗不平衡。 6 折合到输入端，RTI。3-1www.plcworld.cn?????? 补偿?????????? 补偿?????????????????????????????????????? ?????? ?? ??? ??????? ???????????????????????????? ???????????????图 3-1. AD8221 原理图单片仪表放大器设计――内部描述高性能仪表放大器 ADI 公司于 1971 年推出了第一款高性能单片仪表放大器 AD520。 2003 年，推出 AD8221。这款仪表放大器采用超小型 MSOP 封装并且在高于其它同类仪表放大器的带宽内提供增加的 CMR。它还比工业标准 AD620 系列仪表放大器有很多关键的性能提高。 AD8221 是一种基于传统的三运放结构的单片仪表放大器（见图 3-1）。输入三极管Q1 和Q2 在恒定的电流条件下被偏置以便任何差分输入信号都使 A1 和A2 的输出电压相等。施加到输入端的信号产生一个通过RG，R1 和R2 的电流以便A1 和A2 的输出提供正确的电压。从电路结构上，Q1， A1，R1 和Q2，A2，R2 可视为精密电流反馈放大器。放大的差分信号和共模信号施加到差分放大器A3，它抑制共模电压，但会处理差分电压。差分放大器具有低输出失调电压和低输出失调电压漂移。经过激光微调的电阻器允许高精密仪表放大器具有增益误差典型值小于 20 ppm并且CMR超过 90 dB（G = 1）。 AD8221 使用超 β 输入三极管和一个 IB 补偿电路，它可提供极高的输入阻抗，低IB，低失调电流（IOS），低IB漂移，低输入IB噪声，以及 8 nV/√Hz 极低电压噪声。B B B BAD8221 的增益公式为：G=49.4 k? RG+1G ?1 AD8221 采用精心设计以保证用户能够使用一只外部的标准阻值的电阻器很容易和精确地设置增益。由于 AD8221 的输入放大器采用电流反馈结构，所以它的增益带宽乘积可以随增益提高，从而构成一个在提高增益时没有电压反馈结构的带宽降低的系统。为了甚至在低输入信号幅度条件下也能保持精密度，对 AD8221 的设计和布线采用了特别细心的考虑，因而能使仪表放大器的性能满足甚至要求最严格的应用（见图 3-3 和图 3-4）。 AD8221 采用独特的引脚排列使其达到无与伦比的 CMR 技术指标，在 10 kHz（G = 1）条件下为 80 dB，在 1 kHz（G = 1000）条件下为 110 dB。平衡的引脚排列，如图 3-2 所示，减少了过去对 CMR 性能有不利影响的寄生效应。另外，新的引脚排列简化了 PCB 布线，因为相关的印制线都分组靠近在一起。例如，增益设置电阻器引脚与输入引脚相邻，并且参考引脚靠近输出引脚。3-2RG =49.4 kΩwww.plcworld.cn??? ??? ??? ???? ??????? ???? ???? ????? ?? ?? ??? ? ??? ? ? ??????????顶视图?增益 ?????? ?? ?? ??? ? ? ? ??图 3-2. AD8221 的引脚排列??? ? ? ?????????? ? ? ??? ? ? ???? ? ? ????? ??? ??? ?? ??? ???? ?? ?????? ??? ????频率 ???????图 3-4. AD8221 的闭环增益与频率的关系????? ? ? ?? ?? ? ? ????? ????????????????????频率 ????多年来，AD620 已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器。AD620 是一种完整的单片仪表放大器，提供 8 引脚 DIP 和 SOIC 两种封装。用户使用一只外部电阻器可以设置从 1 到 1,000 任何要求的增益。按照设计要求，增益 10 和 100 需要的电阻值是标准的 1%金属膜电阻值。 AD620（见图 3-5）是传统 AD524 仪表放大器的第二代产品并且包含一个改进的传统三运放电路。经过激光微调的片内薄膜电阻器 R1 和 R2，允许用户仅使用一只外部电阻器便可将增益精确设置到 100，最大误差在±0.3%之内。单片结构和激光晶圆微调允许电路元器件的精密匹配和跟踪。图 3-3. AD8221 的 CMR 与频率的关系??????? 补偿?????????????? 补偿?????? ?? ???????????????? ?? ???? ?????????????? ???????? ??????? ????增益检测增益检测???图 3-5. AD620 原理图3-3www.plcworld.cn??? ????由Q1 和Q2 构成的前置放大器级提供附加的增益前端。通过Q1-A1-R1 环路和Q2-A2-R2 环路反馈使通过输入器件Q1 和Q2 的集电极电流保持恒定，由此使输入电压加在外部增益设置电阻器RG的两端。这就产生一个从输入到A1/A2 输出的差分增益G，G = (R1＋ R2)/RG＋1。单元增益减法器A3 消除了任何共模信号，并产生一个相对于REF引脚电位的单端输出。 RG的值还决定前置放大器级的跨导。为了提供增益而减小RG时，前置放大器级的跨导逐渐增加到相应输入三极管的跨导。这有三个主要优点。第一，随着设置增益增加，开环增益也随着增加，从而降低了增益相对误差。第二，（由C1，C2 和前置放大器跨导决定的）增益带宽乘积随着设置的增益一起增加，因而优化了放大器的频率响应。图 3-6 示出AD620 的闭环增益与频率的关系。??????? ??? ??? ??? ?? ?? ?? ?? ? ??? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ?? ????????????????????频率 ????图 3-7. AD620 的 CMR 与频率的关系图 3-8 和图 3-9 分别示出 AD620 的增益非线性和小信号脉冲响应。????? ???????? ?????? ???? ???? ???????? ???? ???? ???? ????????增益 ?????????? ?????? ???? ???? ???????? ???? ???? ???? ??????????? ?????????????????频率 ????图 3-6. AD620 的闭环增益与频率的关系AD620 还在宽频率范围内具有优良的 CMR，如图 3-7 所示。图 3-8. AD620 的增益非线性 (G = 100, RL = 10 k?, 垂直刻度: 100μV = 10 ppm, 水平刻度 2 V/div)?????? ?????? ???? ???? ???????? ???????? ???? ?????????? ?????? ???? ???? ???????? ???????? ???? ????????????图 3-9. AD620 的小信号脉冲响应（G = 10，RL= 2 k?，CL = 100 pF）3-4www.plcworld.cn第三，输入电压噪声减少到 9 nV/√Hz，主要由输入器件的集电极电流和基极电阻决定的。内部增益电阻器 R1 和 R2 的阻值已经调整到 24.7 k?，从而允许只利用一只外部电阻器便可精确地设置增益。增益公式为：G=因此49.4 k? RG+1AD621 与 AD620 类似，只是设置 10 和 100 倍增益的增益电阻器已经集成在芯片内――无需使用外部电阻器。选择 100 倍增益只需要一个外部跨接。对于 10 倍增益，断开引线（在引脚 1 和 8 之间）脚 1 和引脚 8。它在规定温度范围内提供优良的增益稳定性，因为片内增益电阻跟踪反馈电阻的温度。图 3-10 是 AD621 的原理图。AD621 系数（TC）具有 0.15%最大总增益误差和±5 ppm/℃增益漂移，它比 AD620 的片内精度高出许多。 AD621 也可使用一只外部增益电阻设置在 10 和 100 之间的增益，但增益误差和增益温度漂移会变坏。使用外部电阻器设置增益公式为： G = (R1＋R2)/RG ＋1RG =49.4 kΩ G ?1这里，电阻器RG以k?为单位。选择 24.7 k? 阻值是以便于可使用标准 1%电阻器设置最常用的增益。??? ????? 补偿?????????????? 补偿?????? ?? ?????????? ?? ????? ????????? ?? ???????? ?? ?? ??????????????????? ????????? ? ? ????? ???????? ?????? ? ? ???? ???图 3-10. AD621 原理图3-5www.plcworld.c}

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