三、仪用放大器

第三节第三节 仪器放大器仪器放大器 三运放三运放 在工业测量 医疗仪器以及各种传感器探测等应用中 信号是 由传感器对各种物理量 如 温度 压力 流量 血流等 进行相 应的变换而来的 这些换能器产生的信号往往很微弱 而且其中其 中包含有很高的共模电压信号及各种共模干扰 被测对象有一定的 甚至很高 的内阻 如 人体的心电信号为 1mv 左右 而共模电 压可能达到 10V 左右 共模 差模 10000 倍 人体的阻抗几千欧 到几百千欧 基本作用基本作用 仪用放大器常用来精确放大载于高共模电压上的微弱 差动信号 主要特点主要特点 差动输入 具有很高的共模抑制比 有很高的电压增益 低噪声 高输入阻抗 应用领域应用领域 信号放大 如 应变计 热电偶和电阻式热探测器 医用仪器仪表 心电 脑电等人体生物信号的放大 3 13 1 基本仪用放大器的工作原理基本仪用放大器的工作原理 电路结构 仪用放大器是在差动放大器基础上发展起来的一种比较完善 的放大器 它由三个运放 A1 A2 A3 和一些精密电阻 R1 R7 构成 A1 A2 为高输入阻抗的同相放大器 A3 为差动放大器 注意 两个同相放大器不是通过 R1 直接接地而是相连 这是很 有必要的 下面加以说明 电路分析 A3 为差动放大器 取匹配电阻 R5 R4 R7 R6 采用电路理论 中的迭加原理及运放的虚短虚断的概念可以求出放大器的输 出为 仪用放大器的差模放大信号为 可见 放大器只要求 R5 R4 R7 R6 两个电阻匹配 若将 A1 A2 接成两个独立的同相放大器 另外需要保证 A1 A2 的 放大器数相等 两个 R1 相等 否则会带来较大误差 这在制 造时有很大的困难 通常选取 R2 R6 为同一电阻 R 则 差模放大倍数 由上式可见 只要改变 R1 即可改变增益 很方便 讨论 制造时 应尽量将 A1 A2 特性 相等 R2 和 R3 R4 和 R2 R1 和 R7 要尽量配成对 才能减少电路的误差 由于 A1 和 A2 为近似相同的同相放大器 由共模电压引 起的输出也近似相等 位差动放大器 A3 相差后可以补偿掉 A1 和 A2 共模放大倍数引起的误差 这时放大器的共模误差主要 取决于 A3 的共模抑制比 由于 A1A2 具有相同的温度漂移特 性 通过差动放大器 A3 的相减作用而达到补偿 改善了其温 度特性 仪用放大器已被制造成一块集成的放大器 其内部各电阻对 运放较好地保证匹配关系 器件中温度特性也比较一致 可 以在很宽的温度范围内保证放大器数的精度和稳定性 3 23 2 应用举例应用举例 1 压力测量 2 心电信号测量 3 33 3 仪用放大器输入端的屏蔽保护接线方式仪用放大器输入端的屏蔽保护接线方式 减少干扰 改善减少干扰 改善 CMR CMR 测量对象和仪器放大器之间通常有一段距离 为了减少外部对 输入端引起的干扰和保证不因漏电引起输入阻抗降低 一般对输入 引线采用屏蔽电缆加以保护 电缆屏蔽层不能直接接地 而是采用电位自举电路 保持屏蔽 电位跟踪输入信号电位 这减少了电缆芯线与屏蔽间的电位差 降 低了电缆对运放输入阻抗的分流作用 保证具有高的输入阻抗 电 缆的屏蔽作用同时有效地保护输入端 避免了来自外部电场的干扰 电路连接方法示意如下 3 43 4 集成仪用放大器输入端的扩展应用集成仪用放大器输入端的扩展应用 仪器放大器除了以电压输出外 也可以采用电流输出 即输出 负载中的电流 比于输入电压的差值 而与负载无关 以下是电流 输出型仪器放大器的 种接法 负载电阻不是接在 A3 的输出端 而是接在同相端 A3 为 V I 变换电路 当集成仪用放大器不外设 A3 同相端的引出脚时 就不能采用 上图的电路 3 53 5 几种实际的集成仪器放大器几种实际的集成仪器放大器 制造模拟器件的著名公司 a Burr Brown 公司已被 TI 收购 b AD Analog Device 公司 c MAXIM 美信公司 d National Semiconductor 国家半导体公司 仪用放大器的增益设定有两种方法 固定增益仪器放大器 固定增益仪器放大器 外接电阻设定增益 如 BB 公司的 INA101 AD521 等 引脚可编程增益仪器放大器引脚可编程增益仪器放大器 增益电阻集成在芯片内 通过改变引脚的连接可以得到 1 10 100 和 1000 倍的放大 如 模拟器件公司的 AD5