仪表放大器的作用及内部原理

仪表放大器是精密增益模块，输入为差分式，输出可以是差分式，也可以是相对于参考端的单端式。这些器件能够放大两个输入信号电压之间的差值，同时抑制两个输入端共有的任何信号。仪表放大器广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗应用，这些应用要求在高噪声环境下保持直流精度和增益精度，而且其中存在大共模信号（通常为交流电力线频率）。

仪表放大器有什么作用？ 

仪表放大器用来测量噪声环境中的弱信号。由于噪声通常是共模的，而信号应该是差分的，所以仪表放大器利 用其共模抑制(CMR)特性将有用信号 与噪声区分开。 

在仪表放大器应用中的信号源通常具有几千欧姆(kΩ)甚至更大的输出阻抗，因此仪表放大器应该具有非常高的输入阻抗(通常能够达到数吉欧姆)。仪表放大器的工作频率一般从直流(DC)到大约1MHz之间。

当频率超过1MHz时，输入电容问题比输入电阻更重要。通常使用差分放大器处理高速应用，这样虽然提高了速度，但却降低了输入阻抗。 仪表放大器有那些主要技术指标？设计仪表放大器的工程师需要考虑的主要性能指标包括：电源电流、-3dB 带宽、共模抑制比(CMRR)、输入失调电压和失调电压随温度的漂移以及 输入端的噪声和输入偏置电流。 

仪表放大器的内部原理如何？ 

大多数的仪表放大器是由三个运算放大器构成。这些运算放大器可分为两级：两个运算放大器用作前置放大器，其后跟随一个差分放大器。

图一

前置放大器提供高输入阻抗、低噪 声和增益级。差分放大器抑制共模噪 声，并能提供必要的额外增益。

仪表放大器仅有三个运算放大器是不是仪表放大器的唯一架构？ 

其实不是，另一种仪表放大器架构是采用两个运算放大器，它可节省元件数量，但却存在两个缺点(见图1b)： 

1. 非对称的体系结构降低了CMRR， 尤其是在高频情况下；

2. 仅用一级放 大使其增益受到限制。

由于输出级的 误差影响到输入级，从而导致折合到输入端的噪声和失调误差变大。 

如何防止仪表放大器的输入端过压？ 

设计工程师需要外部限流电阻器防止 太大的驱动电流在内部ESD箝位二极管产生过压。限流电阻器的阻值取决于仪表放大器的噪声水平、电源电压和所需的过压保护。仪表放大器的使用说明中给出了推荐值。由于限流电阻器增加了噪声，所 以另一种方法是使用外部大电流箝位二极管，以大幅度减小阻值。不幸的是，大多数普通二极管都具有很高的泄漏电流，会在仪表放大器输出端产生很大的失调误差；由于这种漏电流与温度呈指数关系增加，所以设计工程师在高阻抗信号源应用中不应使用普通二极管。

　　审核编辑：汤梓红