仪表放大器工作原理及其新型应用

2012-12-17华北电力大学电力工程系於慧敏

电子世界 2012年15期

华北电力大学电力工程系於慧敏

1.仪表放大器的原理及特点

1.1 仪表放大器的原理

仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得共模抑制比得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在共模抑制比要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现，仪表放大器典型结构见图1。

1.2 仪表放大器的特点

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差等特点。

2.仪表放大器应用

2.1 一般应用

依据仪表放大器的功能和特点，其一般应用于数据采集、信号放大、信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面。

2.2 典型应用

2.2.1 高边监视器

最简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些精密电阻，常见的高边测量都采用经典的差分放大器（用作增益放大和高边到地的电平转换）。虽然很多应用中也会使用分离电路，但其输入阻抗较低，而且电阻之间有较大差异。电阻的匹配必须非常精确才能获得可接受的共模抑制比，任一个电阻值存在0.01%的偏差都将使CMRR降低到86dB；如果偏差为0.1%，将使CMRR降低到66dB；而1%的偏差将使CMRR降低到46dB。选择仪表放大器结构时，有一个需要特别关注的参数，即在放大器任何输出摆幅下，输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。

2.2.2 应力测量

三运放拓扑的真正优势是其能够进行真正的差分测量(很高的CMRR)，同时又有非常高的输入阻抗，这些特点使其得到了广泛应用，特别是在信号源阻抗非常高的场合。

2.3 最新产品

2.3.1 ISL28617

2012年7月10日，全球高性能模拟混合信号半导体设计和制造领导厂商Intersil公司(纳斯达克全球交易代码：ISIL)推出一款新型40V低噪声仪表放大器，这是业内首款集成模/数转换器(ADC)电平转换器和驱动器的精密放大器。

ISL28617包含一个差分输出，可以很容易的连接到目前的高性能差分输入高精度ADC。它提供了卓越的增益精度和增益温度系数(在-40°C至125°C温度范围内)，共模抑制比（CMRR）在所有增益配置中均为业内最高水平。ISL28617的噪声密度测量值仅为8.6nV/√Hz(1kHz)和85nVrms(0.1Hz至10Hz)，同时可提供高增益和衰减，使之较于竞争对手仪表放大器脱颖而出(竞争对手的放大器通常仅限于增益配置)。ISL28617非常适用于仪表、工业、电机控制和医学系统。