儀表放大器及應(yīng)用

１　概述

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，它們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。

用分離元件構(gòu)建儀表放大器(ＩＡ）需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，而采用集成儀表放大器（ＩＡ）或差分放大器則是一種簡(jiǎn)便而又可行的替換方案。為了更好的理解儀表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，這里以圖１所示的惠斯通電橋變送器來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，圖１中，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激勵(lì)電壓（Ｖｅｘ）為１０Ｖ。這樣，在空載條件下，對(duì)“電橋”進(jìn)行計(jì)算可得：

Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５Ｖ

Ｖ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ

所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ

變送器輸出就是電橋兩個(gè)輸出端的電壓差（ΔＶ）。假定有某個(gè)激勵(lì)加在電橋的４個(gè)活動(dòng)臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同時(shí)Ｒ２和Ｒ３的值有所減少；此時(shí)若�。海遥保剑遥矗剑担埃埃宝�，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１Ｖ? Ｖ２＝４．９９９Ｖ，實(shí)際上，人們所關(guān)心的信號(hào)是：

ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。因此，通過(guò)對(duì)共模電壓（ＣＭＶ）進(jìn)行計(jì)算可知：即便電橋不平衡，共模電壓（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。理想情況下，此電路的輸出是：Ｖｏ＝ΔＶ· Ｇａｉｎ。

　　上述計(jì)算表明，在有大的共模信號(hào)時(shí)，測(cè)量一個(gè)微弱的電壓信號(hào)比較困難；而ΔＶ（以ｍＶ為單位）則可通過(guò)測(cè)量?jī)蓚�(gè)較大的電壓信號(hào)Ｖ２與Ｖ１來(lái)獲得，這兩個(gè)電壓均可在伏特級(jí)。

２　誤差

早期比例計(jì)量是用檢流計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它（不像ＩＡ）不受共模電壓的困擾。圖１僅是示意圖?沒(méi)有包括誤差源。實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的主要誤差包括ＣＭＲ、ＰＳＲ、Ｖｏｓ、Ｉｂ和Ｉｏｓ（見(jiàn)圖２）。共模抑制（ＣＭＲ）是指由于共模電壓的存在而引起的放大器的輸入失調(diào)電壓的偏差，ＣＭＲ定義為ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?。在圖２所示的惠斯通電橋中，若要使誤差小于差分信號(hào)的１％，其ＣＭＲ應(yīng)為：

　�。茫停郑剑担�?ΔＶ＝２ｍＶ，則Ｖｏｓ＝ΔＶ×１％＝０．０２ｍＶ

ＣＭＲ＝２０ｌｏｇ?ＣＭＶ／ΔＶｏｓ?＝１０８ｄＢ。

而要得到一個(gè)小于０．１％的誤差，則需要１２８ｄＢ的ＣＭＲ。利用分離電路并進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)整可以獲得１００ｄＢ或更高的共模抑制比（ＣＭＲ）。而要達(dá)到如此高的穩(wěn)定性，還須采用線繞電阻，但線繞電阻的等效電感會(huì)導(dǎo)致ＣＭＲ的頻率特

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