儀表放大器的特點和電路設計原理

儀表放大器的特點

高共模抑制比　

共模抑制比(CMRR) 則是差模增益( A d) 與共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;儀表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR 典型值為70～100 dB 以上。

高輸入阻抗　

要求儀表放大器必須具有極高的輸入阻抗,儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值為109～1012Ω.

低噪聲　

由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓,因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號上,在1 kHz 條件下,折合到輸入端的輸入噪聲要求小于10 nV/ Hz.

低線性誤差　

輸入失調和比例系數誤差能通過外部的調整來修正,但是線性誤差是器件固有缺陷,它不能由外部調整來消除。一個高質量的儀表放大器典型的線性誤差為0. 01 % ,有的甚至低于0. 0001 %.

低失調電壓和失調電壓漂移　

儀表放大器的失調漂移也由輸入和輸出兩部分組成,輸入和輸出失調電壓典型值分別為100μV 和2 mV.

低輸入偏置電流和失調電流誤差　

雙極型輸入運算放大器的基極電流,FET 型輸入運算放大器的柵極電流,這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調誤差。雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為1 nA～50 pA ;而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50 pA.

充裕的帶寬　

儀表放大器為特定的應用提供了足夠的帶寬,典型的單位增益小信號帶寬在 500 kHz～4 MHz 之間。

具有“檢測”端和“參考”端　

儀表放大器的獨特之處還在于帶有“檢測”端和“參考”端,允許遠距離檢測輸出電壓而內部電阻壓降和地線壓降( IR) 的影響可減至最小。

單儀表放大器電路設計原理

儀表放大器是在三運放電路的基礎上發展起來的,由場效應晶體管( FET) 或雙極型輸入的運算放大器構成。美國ADI 公司第1 個研制成功了單片集成儀表放大器。以AD620為例,其電路原理圖如圖1 所示。絕對值的校準使用戶僅用一個電阻就能對增益進行校準,在G = 100 時準確度為0.15 %. 單片結構和激光晶片修整技術使電路中的元件緊密匹配, 并保證了該電路固有的高性能。該電路輸入三級管Q1 和Q2 提供了高精度單差分增益前端, 通過Q1 -A1 - RL 環路和Q2 -A2 - R2 環路的反饋使輸入元件Q1,Q2 的集電極電流恒定,由此使輸入電壓加至外接的增益設置電阻RG 上, 從而產生了一個從輸入端到A 1/ A 2 輸出端的差分增益, G = ( R1 + R2) / RG +1. 單位增益減法器A3 消除了任何共模信號,并產生一個相對于“參考”端電位的單端輸出。RG 的值也決定前置放大級的跨導。為了提高增益,隨著RG 值的減少,前置放大器的跨導逐漸增加到相應輸入三級管的跨導。這有3 個好處:1) 隨著設置增益的增加,開環增益也隨之增加,從而降低了增益相對誤差;2) 增益帶寬(由C1 , C2 和前置放大器跨導決定) 隨設置增益增加而增加, 從而優化了頻率響應特性;3) 輸入電壓噪聲降至9 nV/Hz ,該值主要由輸入部分的集電極電流和基極電阻決定。AD620 的內部增益電阻( R1 和R2) 被精確校準到24. 7 kΩ, 從而使只用一個外接電阻來準確地設定增益。增益公式為G = (49. 4 kΩ/ RG) + 1

即RG = 49.4kΩ/(G - 1)。根據該公式設計者很容易計算出放大器增益電阻RG 的值。