1 序言

儀表放大器（ia）由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶及溫度傳感器的放大電路中得到了廣泛的應(yīng)用，它既能對(duì)單端信號(hào)又能對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這主要是通過(guò)多路開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的切換。實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象可以分別選擇單端信號(hào)或差分信號(hào)的輸入方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的獲取，一般市場(chǎng)上所有的多路信號(hào)采集系統(tǒng)基本上都具備這種功能。

差分儀表放大器具有對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)共模信號(hào)加以抑制的功能，但是并非所有差分信號(hào)輸出的場(chǎng)合可以直接使用儀表放大器作為前置信號(hào)放大級(jí)，具體來(lái)說(shuō)必須考慮到共模信號(hào)的大小、差分信號(hào)的大小、放大倍數(shù)的選擇、輸入信號(hào)的頻率范圍等因素，同時(shí)針對(duì)輸入信號(hào)的具體情況可以選擇單端信號(hào)輸入方式或者差分信號(hào)輸入方式。下面對(duì)儀表放大器在實(shí)際應(yīng)用中所涉及到的這些問(wèn)題分別加以闡述。

2 儀表放大器的結(jié)構(gòu)

儀表放大器一般是由三個(gè)放大器和經(jīng)過(guò)激光調(diào)阻修正的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。在傳統(tǒng)的三片運(yùn)放方式的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)，內(nèi)部阻值的校準(zhǔn)保證用戶只需要外接一個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)由1到上萬(wàn)倍的增益精確設(shè)定，減少了由于增益相關(guān)誤差帶來(lái)的數(shù)據(jù)采集誤差，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)保證其具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，且每一路輸入都有輸入保護(hù)電路以避免損壞器件。由于采用激光調(diào)阻，使其具有低失調(diào)電壓、高共模抑制比和低溫漂。

圖1所示為bb（burr brown）公司的ina114、ina118等儀表放大器的結(jié)構(gòu)原理框圖及引腳。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，正負(fù)電源引腳處應(yīng)接濾波電容c，以消除電源帶來(lái)的干擾。5腳為輸出參考端，一般接地。實(shí)際應(yīng)用中即使5腳對(duì)地之間存在很小的電阻值，也將對(duì)器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，如5歐姆的阻值將導(dǎo)致共模抑制比衰減到80db。

3 應(yīng)用中應(yīng)考慮的問(wèn)題

3.1 輸入偏置電流回路

一般來(lái)說(shuō)，選擇差分信號(hào)測(cè)量的工作方式時(shí)，后面的信號(hào)放大電路一般直接采用儀表放大器構(gòu)成。儀表放大器的輸入阻抗非常高,大約達(dá)到1010ω?cái)?shù)量級(jí)，相應(yīng)對(duì)于差分輸入的每個(gè)輸入端都需要輸入偏置電流通道，以提供共模電流反饋回路，例如儀表放大器in118輸入偏置電流大約為±5na。由于儀表放大器的輸入阻抗非常高，使得輸入的偏置電流隨輸入電壓的變化非常小，對(duì)差分信號(hào)放大不會(huì)產(chǎn)生太大影響。輸入偏置電流是儀表放大器（ia）輸入三極管所必須的電流，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須保證偏置電流有接地的回路，如果電路中沒(méi)有輸入偏置電流通道，傳感器的輸入將處于浮電位狀態(tài)，而浮電位值很可能超過(guò)放大器所能夠允許的共模電壓范圍（其值與放大器的供電電壓相關(guān)），使輸入放大器飽和而失去放大功能。針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用情況，輸入偏置電流回路設(shè)置可以采用三種基本形式，分別如圖2所示。其中(a)為差分信號(hào)源阻抗較高時(shí)常用的形式，其中的兩個(gè)接地電阻相等，以保證較高的共模抑制比和減小偏置電流對(duì)失調(diào)的影響；（b）為信號(hào)源阻抗較低時(shí)采用的形式（如熱電偶）；（c）為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)常用的形式。

從圖2的三種結(jié)構(gòu)可知，在輸入通道設(shè)置偏置回路是通過(guò)在差分輸入端與地之間接適當(dāng)電阻實(shí)現(xiàn)的，具體電阻值的大小根據(jù)實(shí)際情況而定。

3.2 輸入共模電壓范圍

　　儀表放大器對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制作用，例如ina114，共模抑制比可高達(dá)120db，但這是在放大倍數(shù)、輸入共模電壓在一定范圍內(nèi)以及輸入共模電壓的頻率較低的條件下才可以達(dá)到的。

　　而所放大的差分信號(hào)，是指儀表放大器的兩個(gè)輸入端對(duì)地所存在的差值。圖3是一個(gè)典型的惠斯通電橋應(yīng)用電路，橋路供電電壓為10v，橋臂電阻如圖3中所示。根據(jù)其中的條件可以得到共模電壓值為5v，而差模電壓的大小為0.0144v，經(jīng)過(guò)差分ia后輸出為對(duì)地的單端信號(hào)。其中共模電壓由于ia的高共模抑制比而不能通過(guò)，放大的是兩輸入端的差模電壓。儀表放大器抑制的共模信號(hào)既可以是交流信號(hào)也可以是直流信號(hào)，但這是受一定條件限制的，并非任何情況下的共模信號(hào)通過(guò)時(shí)都有同樣的抑制比，選擇時(shí)應(yīng)注意相應(yīng)的應(yīng)用范圍。 　　其一，輸入共模電壓的范圍與供電電壓有關(guān)，在輸入共模電壓大約小于供電電壓1.25v左右時(shí)，才有較理想的抑制比。一般儀表放大器的供電電壓允許在很大的范圍內(nèi)變化，如ina114，ina118等在±2.25v到±18v內(nèi)都可以使用，在一定的應(yīng)用場(chǎng)合下，如果共模電壓較大時(shí)，相應(yīng)儀表放大器要選擇較高的供電電壓才能獲得理想的效果。如圖3中共模電壓為5v，則儀表放大器的電源電壓應(yīng)為6.25v以上，否則不能使用儀表放大器作為前置信號(hào)放大級(jí)。其主要原因是ia的前面一組放大器a1、a2容易飽和。

　　其二，輸入共模電壓抑制能力與共模電壓的頻率相關(guān)，頻率越高，抑制效果越差。

　　其三，共模電壓的抑制能力與增益大小相關(guān)，在低增益工作段，共模抑制能力較差；1000左右的放大倍數(shù)，共模抑制能力較好。ina114、i