1、第3章 仪表放大器电路设计 3.1 TI公司的仪表放大器产品3.2 仪表放大器的应用基础3.3 仪表放大器应用中的误差分析3.4 仪表放大器输入过载保护3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.6 正确地驱动仪表放大器的参考端3.7 降低仪表放大器的射频干扰3.8 仪表放大器应用电路例3.1 TI公司的仪表放大器产品1 单电源仪表放大器（VS5.5V）2 宽电源电压仪表放大器（VS36V）3 数字可编程仪表放大器3.2 仪表放大器的应用基础1 仪表放大器的应用模型 仪表放大器不是运算放大器，而是一种精密差分电压增益器件。它有一对差分输入端和一个相对于参考端或共用端工作的单端输出，是专门针对不
2、利于精密测量环境而优化设计的器件。仪表放大器能够放大微伏级电平信号，同时具备极高的共模抑制(CMR)性能，其输入端的共模(CM)输入电压得到抑制。1 仪表放大器的应用模型 仪表放大器可以产生以某个引脚为参考的输出电压，该引脚通常称为参考引脚或VREF。在许多应用中，该引脚可以连接至电路的接地端，但也可连接至其他电压端，只要其处于额定允许的电压范围即可。仪表放大器采用内部反馈电阻网络和一个增益设置电阻RG设置增益，增益范围通常为1至1000。不同型号的仪表放大器，增益G的计算公式不同，增益与RG的关系也不同。3.2 仪表放大器的应用基础2 三运放结构的仪表放大器电路 3.2 仪表放大器的应用基础
3、典型集成的三运放仪表放大器结构 3.2 仪表放大器的应用基础3.2 仪表放大器的应用基础3.2 仪表放大器的应用基础INA333的增益由Rg决定，REF端提供参考电压，抬升信号电平。仪用运算放大器INA333共模输入信号与差模输出信号的关系共模输入信号与差模输出信号的关系-ADC-ADC的基本思想的基本思想:是用数字化速度来换取位数，即采用高速、低位数(通常是1位)的ADC来实现。-调制器由差动器、积分器和比较器一起构成一个反馈环路。它将模拟输入与反馈信号(误差信号)进行差动()比较，将比较产生的差动输出馈送到积分器()中，然后将积分器的输出馈送到比较器。比较器的输出同时将反馈信号(误差信号)
4、通过一位DAC传送到差动器，而自身被馈送到数字滤波器中。调制器以远大于奈奎斯特频率的采样频率对模拟信号进行采样和量化，输出一位数字位流。数字低通滤波器完成低通滤波和抽取功能实验一、恒流源+仪用运放测电阻 vs 电桥+仪用运放测电阻 共模输入信号与差模输出信号的关系-参考数据实验二、恒流源+-型ADC测电阻 vs 电桥+-型ADC测电阻 3.仪表放大器13.3.1 仪表放大器的误差源 3.3 仪表放大器应用中的误差分析3.3.2 输出失调误差 输出失调电压VOS是仪表放大器输入级中晶体管VBE之间不匹配导致的结果,失调电压可表示为与输入信号串联的小直流电压VOS。希望将输出失调电压折合到输入端，
5、只需用误差除以增益即可，表示为：输出失调误差(RTI)=VOS_OUT/Gain 通过将所有误差折合到输入端(这也是通常做法)，可方便地对误差和输入信号大小进行比较。在计算误差时，失调电压误差通常折合到输入端，计算公式如下：全部失调误差(RTI)=VOS_IN+VOS_OUT/Gain 式中，Gain为仪表放大器的设定增益。3.3 仪表放大器应用中的误差分析3.3.3 输入失调电流和偏置电流引起的误差 偏置电流IBIAS（或者标注为IB）流入和流出仪表放大器的输入端。这些通常就是NPN或PNP晶体管的基极电流。当偏置电流IBIAS通过源阻抗时，会产生电压误差。如果仪表放大器的反相和同相输入端的
6、源阻抗不等，那么误差会更大，其大小为偏置电流乘以源阻抗之差。另外，还需考虑失调电流IOFS（即两个偏置电流之差）的影响。3.3 仪表放大器应用中的误差分析3.3.4 共模抑制比3.3.5 交流和直流共模抑制3.3.6 噪声3.3.7 增益非线性度3.3.8 增益误差3.3 仪表放大器应用中的误差分析3.4 仪表放大器输入过载保护 当仪表放大器的输入来自远程传感器时，则可能会受到过压影响。如果在电源开启时将连接线断开并重新连接，可能会产生较大的瞬态电压。感性耦合是导致电缆上产生无用电压的另一种因素，其结果可能损害仪表放大器的输入级。从保护角度来看，仪表放大器的共模(CM)和差模(DM)输入电压必
7、须遵循其绝对最大额定值。3.4 仪表放大器输入过载保护3.4.1 仪表放大器内置的过载保护电路 3.4 仪表放大器输入过载保护3.4.2 仪表放大器的通用二极管保护电路仪表放大器的通用外部电压保护电路采用D3D6来实现共模箝位，并采用串联电阻RLIMIT来提供保护。如果使用额外的差分保护，则可以使用背对背齐纳箝位，即图中的D1-D2。3.4 仪表放大器输入过载保护3.4.2 仪表放大器的通用二极管保护电路3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.1 直接耦合仪表放大器的输入偏置电流接地回路在直接耦合仪表放大器输入情况下，必须为仪表放大器输入偏置电流提供信号接地回路。需要注意的是：设计得当
8、的仪表放大器对电源变动的敏感度较低。然而，随着频率的增加，该抑制因子会变差，因为内部电容会允许更多电源噪声进入信号路径之中。这种效应可通过在尽量接近仪表放大器之处用 0.1F 的陶瓷圆盘电容旁路电源来降低。失调调整电位计通常会影响高增益差分输入级的平衡，缩短到该电位计的走线距离可以减少敏感区域的噪声注入。3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.1 直接耦合仪表放大器的输入偏置电流接地回路 增益确定电阻 RG 一般设于远程地点，以便进行增益切换。但杂散电容和线缆电感可能扰乱器件的频率补偿。某些情况下，有必要在仪表放大器 RG 引脚处安装一个串行 RC，以便增加补偿零，用于校正由杂散电感和
9、电容导致的 LC 共振。该引脚补偿可以提高稳定性，但其代价是，会在频率响应曲线的高端处形成峰值。不幸的是，该补偿（若需要）取决于具体应用，并且多通过实验来确定。来自远程传感器的信号多通过屏蔽电缆传送至仪表放大器。尽管这种方法可以有效地减少噪声影响，但这种布线模式中的分布式RC可能在这些线路中导致差分相移。当存在交流共模信号时，此类相移会降低共模抑制性能。位于屏蔽电缆末端的远程 RG 会产生相同效应。如果屏蔽可用共模信号驱动，则电缆电容可“自举”，从而使电容在共模信号下实际为零。所有信号及电源回路最后必须有一个直接或间接的公共点。3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.2 采用“浮动”源
10、或交流耦合仪表放大器的输入偏置电流 的接地回路3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.2 采用“浮动”源或交流耦合仪表放大器的输入偏置电流 的接地回路3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.2 采用“浮动”源或交流耦合仪表放大器的输入偏置电流 的接地回路3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.2 采用“浮动”源或交流耦合仪表放大器的输入偏置电流 的接地回路3.5 仪表放大器输入偏置电流的接地回路3.5.3 AC耦合输入仪表放大器的阻容元件值选择输入端的电容器C和电阻R构成一个RC高通滤波器，截止频率为：RC元件应适度匹配，以使R1、Cl的时间常数接近于R2,C2的时间常
11、数，一般情况下要求R1=R2=R，C1=C2=C，否则共模电压可能被转换为差分误差。3.6 正确地驱动仪表放大器的参考端仪表放大器可以产生以参考（REF）或VREF引脚端为参考的输出电压。在许多应用中，参考（REF）或VREF引脚端可以连接至电路的接地端，但也可连接至其他电压端，只要其处于额定允许的电压范围即可。3.6 正确地驱动仪表放大器的参考端3.6 正确地驱动仪表放大器的参考端3.7 降低仪表放大器的射频干扰3.7.1 仪表放大器内置的射频干扰(RFI)滤波器电路 一些仪表放大器内置有射频干扰(RFI)滤波器电路，用来降低仪表放大器电路输入端的射频干扰整流误差。3.7 降低仪表放大器的射
12、频干扰3.7.2 在输入端设置RC低通滤波器电路3.7 降低仪表放大器的射频干扰3.7.2 在输入端设置RC低通滤波器电路选择抗射频干扰输入滤波器RC元件值的原则从实用出发选择抗射频干扰输入滤波器的元件值，利用以下规则可极大地简化RC输入滤波器的设计。（1）首先，确定两只串联电阻的值，同时确保前面的电路足以驱动这一阻抗。这两只电阻的典型值为2 k10 k，其噪声不应大于仪表放大器本身的噪声。使用一对2 k电阻会增加8 的约翰逊噪声；使用4 k电阻和10 k电阻会使约翰逊噪声分别增加至11 和18。（2）然后，为电容C2选择合适的电容值，该电容决定滤波器的差分(信号)带宽。在不使输入信号衰减的情
13、况下，该电容值应尽可能小。10倍于最高信号频率的差分带宽通常绰绰有余。（3）接下来为C1a和C1b两个电容选择合适的值，它们决定共模带宽。为获得较好的交流共模抑制性能，两个电容的值应为C2电容值的10%或更小。共模带宽应始终小于仪表放大器在单位增益条件下带宽的10%。3.8 仪表放大器应用电路例3.8.1 AC耦合仪表放大器电路3.8.2 电压和电流PLC输入放大器电路3.8.3 10V,4mA 20mA PLC输入放大器电路3.8.4 桥式传感器放大电路3.8.5 RTD温度测量电路3.8.6 热电偶温度测量电路3.8.7 电流检测电路3.8.8 ECG电路3.8.9 精密差分V-I转换电路3.8.10 可编程的5mA电流源3.8.11 ADC驱动电路3.8.12 直接驱动ADC的桥式传感器电路3.8.13 直接驱动ADC的可编程桥式传感器电路3.8.14 电路断路检测电路
