詳解儀表放大器以及構(gòu)建設(shè)計(jì)方案

儀表放大器是在有噪聲的環(huán)境下放大小信號(hào)的器件。它利用的是差分小信號(hào)疊加在較大的共模信號(hào)之上的特性，能夠去除共模信號(hào)，而又同時(shí)將差分信號(hào)放大。儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)是共模抑制比，這個(gè)性能可以用來衡量差分增益與共模衰減之比。

典型的被測(cè)信號(hào)可以是生物信號(hào)，如心電圖（ECG）信號(hào)或者是來自諸如惠斯登電橋等傳感器的微弱信號(hào)。由于這些信號(hào)源常常具有幾千歐姆或更高的輸出阻抗，因此儀表放大器需要具有很高的輸入阻抗（典型數(shù)值在千兆歐姆級(jí)）。此外，由于儀表放大器往往要驅(qū)動(dòng)輸入阻抗很低的后級(jí)電路，如A/D轉(zhuǎn)換器等，因此要求儀表放大器的輸出阻抗很低。儀表放大器工作頻率通常在直流到1 MHz之間，而在MHz級(jí)的速度下，輸入電容比輸入電阻更為重要，因此這類應(yīng)用要考慮使用差分放大器。這種差分放大器輸入阻抗較低，但速度要快很多。

常見儀表放大器

差動(dòng)放大器

差動(dòng)放大器不是儀表放大器，但是有時(shí)可以用在儀表放大器的場(chǎng)合。其電路只需一個(gè)運(yùn)算放大器，如圖1所示。在對(duì)高輸入阻抗或者增益沒有苛刻要求的場(chǎng)合，使用它是很方便的。

該電路的傳遞函數(shù)為：

Vout=R1/R2（VA-VB）

這一傳遞函數(shù)是在理想運(yùn)算放大器和理想電阻器匹配條件下得出的。然而，當(dāng)電阻不完全匹配時(shí)，同相放大電路和反相放大電路的傳遞函數(shù)不相等，就會(huì)有共模信號(hào)泄露出來。以0.1%的電阻匹配誤差為例，最差情況下CMRR為54 dB，即10 V的共模信號(hào)會(huì)產(chǎn)生20 mV的輸出誤差。

差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最主要的缺點(diǎn)是輸入阻抗很低。由于增益由R1/R2決定，因此需要在高增益和高輸入阻抗間做出折中。此外，將信號(hào)分壓變小后再進(jìn)行放大（如同相通路），并不是獲得良好噪聲性能的方法。對(duì)于反相通路而言，加入了額外的電阻，并且反相放大電路的噪聲增益總比信號(hào)增益高。提高輸入阻抗就要求增加電阻的數(shù)值，這樣將會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。最后，共模抑制比也受到限制。為了改善這些缺點(diǎn)，第一步是對(duì)輸入進(jìn)行緩沖，這樣就解決了輸入阻抗的問題，如圖2所示。

在對(duì)輸入進(jìn)行緩沖的同時(shí)，如果引入一些增益，除了可以得到高阻抗，還會(huì)產(chǎn)生很好的噪聲性能，如圖3所示。

電路中差動(dòng)放大器的噪聲仍然存在，但折算到輸入端時(shí)噪聲要除以第一級(jí)的增益。由于可以使用阻值非常小的電阻器，因此第一級(jí)的噪聲可以做得非常低，而且不影響輸入阻抗。這種結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)好處是在高增益時(shí)有較寬的帶寬。原因是電壓反饋放大器具有一定的增益帶寬乘積，通過把增益分散到兩級(jí)放大器，可使每一級(jí)的增益比較低，降低差動(dòng)放大器級(jí)的增益，從而不會(huì)被增益帶寬乘積所限制。然而還有一個(gè)沒解決的問題就是共模抑制比。圖3的電路將共模信號(hào)和差分信號(hào)都放大了，而所有的共模抑制都在差分放大級(jí)實(shí)現(xiàn)，因此，很容易超過第一級(jí)的輸入電壓范圍。

三運(yùn)放儀表放大器

將圖3中第一級(jí)放大電路中的接地點(diǎn)去掉來解決共模抑制的問題，從而構(gòu)成三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器，如圖4所示。

第一級(jí)電路讓共模信號(hào)有效地通過，沒有任何放大或衰減，第二級(jí)差動(dòng)放大器將共模信號(hào)去除。由于額外提升了差分增益，雖然電阻器的匹配狀況并沒有改善，但是系統(tǒng)的有效共模抑制能力卻得到了增強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中需要注意：

1）必須在第一級(jí)提供增益；

2）系統(tǒng)的共模抑制不是由前兩個(gè)放大器的共模抑制比性能決定的，而是取決于兩個(gè)共模抑制的匹配程度。然而雙運(yùn)算放大器從來不會(huì)給出這一指標(biāo)，因此選擇時(shí)必須要求CMRR性能指標(biāo)比需要的目標(biāo)性能指標(biāo)至少好6 dB；

3）如果電阻器有某些對(duì)地的泄露通路，CMRR指標(biāo)就會(huì)降低；

4）儀表放大器前面的元件要盡可能設(shè)計(jì)得平衡。如果儀表放大器同相通路中低通濾波器和反相通路中低通濾波器具有不同截止頻率，系統(tǒng)的CMRR特性將會(huì)隨著頻率的升高而降低。

對(duì)于儀表放大器的第一級(jí)，每個(gè)運(yùn)算放大器都要保持其兩個(gè)電壓輸入端的電壓相同。圖4中R4兩端的差分電壓應(yīng)當(dāng)和兩個(gè)輸入端的電壓相同，這個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)電流，流過電阻器R3并產(chǎn)生了放大器的增益。

三運(yùn)放儀表放大器通常會(huì)遇到的問題有：

1）這一結(jié)構(gòu)放大差分信號(hào)，然后去除共模信號(hào)。兩級(jí)電路之間的中間節(jié)點(diǎn)載荷著大約一半的差分信號(hào)再加上共模信號(hào)。須確保這個(gè)信號(hào)處于運(yùn)放的工作范圍之內(nèi)。當(dāng)改變輸入電壓的共模成分時(shí)，如果看到類似于飽和的現(xiàn)象，則應(yīng)首先檢查這里。

2）流過R4的電流。當(dāng)把儀表放大器的增益設(shè)置得很高時(shí)，R4就會(huì)很小，這意味著差分電壓很大的時(shí)候，R4上產(chǎn)生的電流也會(huì)相當(dāng)大。需要檢查這種情況對(duì)系統(tǒng)是否有負(fù)面作用。

3）反饋通路中的電容。反饋通路的走線應(yīng)盡可能地短，反饋通路過大的電容在高頻時(shí)會(huì)使共模抑制比性能降低。

兩運(yùn)放儀表放大器

如果不需要三運(yùn)放結(jié)構(gòu)如此高的性能，可使用兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它只需要兩個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻器，如圖5所示。由于很少有包含三個(gè)運(yùn)放的器件，因此三運(yùn)放結(jié)構(gòu)通常需要使用一個(gè)四運(yùn)放器件。而多余的一個(gè)運(yùn)放需要消耗更多的功率，所以兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)在能耗方面也會(huì)更低。此外，和三運(yùn)放結(jié)構(gòu)一樣，兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)電路也具有很高的輸入阻抗。但是兩運(yùn)放儀表放大器的性能要差一些，通過計(jì)算分析，這種結(jié)構(gòu)的共模抑制比對(duì)電阻器阻值變化的靈敏度比差分放大器結(jié)構(gòu)略高一些。最壞情況下，對(duì)于0.1%的電阻器匹配條件下的CMRR不是54 dB，而是50.5 dB。與三運(yùn)放儀表放大器不同的是這個(gè)CMRR數(shù)值不隨增益的增加而改善。由于兩個(gè)通路不平衡，同相通路信號(hào)的頻率響應(yīng)與反相通路信號(hào)不同。由于反相通路要通過兩級(jí)電路而不是一級(jí)電路，因此在反相通路中出現(xiàn)了一個(gè)相位延遲，并且壓擺率和帶寬特性也會(huì)不同，其噪聲性能也會(huì)差一些。

兩運(yùn)放儀表放大器常見的問題是：

1）由于第一級(jí)的輸出電壓即放大了的輸入電壓，其中包括共模電壓，因此需要注意第一級(jí)的輸出電壓；

2）由于兩運(yùn)放儀表放大器的CMRR對(duì)于電阻的匹配情況極為敏感，因此需要注意電阻器的匹配；

3）高頻性能。因此，對(duì)于這三種結(jié)構(gòu)來說：差動(dòng)放大器 這種放大器很好，也很簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻器。然而，它的輸入阻抗與所選電阻器的數(shù)值有關(guān)，而且噪聲和CMRR的性能也較差。

2）三運(yùn)放儀表放大器 第一級(jí)電路提供高輸入阻抗。當(dāng)我們?cè)诘谝患?jí)電路中引入增益時(shí)，還提高了噪聲和CMRR的性能。

兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器 這種電路結(jié)構(gòu)比三運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得多，并且也具有很好的輸入阻抗特性。然而，其噪聲和CMRR性能不能隨著增益的增加而改善。

實(shí)例分析：混合設(shè)計(jì)

如果已經(jīng)找到了基本符合要求的儀表放大器，但某一指標(biāo)無法滿足需求，此時(shí)可以利用現(xiàn)有儀表放大器加上輔助電路達(dá)到目的。

噪聲是儀表放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，現(xiàn)在很多運(yùn)放都具有非常低的噪聲系數(shù)，如果要求更低的噪聲，則可以采用分立設(shè)計(jì)方法構(gòu)建儀表放大器。然而這需要花費(fèi)很大的精力來設(shè)計(jì)、布局和調(diào)試，而得到的共模抑制比又低于單芯片儀表放大器。圖6所示的混合設(shè)計(jì)節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板空間，同時(shí)得到了與單芯片儀表放大器同樣好的共模抑制性能。

這里所示的混合設(shè)計(jì)分為三級(jí)：運(yùn)放組成的前置放大器，后面是儀表放大器。每一級(jí)的噪聲都比前一級(jí)大，然而，由于為每一級(jí)都分配了增益，所以各級(jí)對(duì)系統(tǒng)最后的噪聲沒什么影響。如果用一個(gè)2.61 K的電阻將AD8221的增益設(shè)定為20，也可以將所有的增益都放在前置放大級(jí)，而使AD8221的增益為1。而AD8599的增益帶寬積為10MHz。如果將總的增益都放在第一級(jí)，那么其帶寬將會(huì)被限制在20 kHz。在兩個(gè)元件之間分配增益，得到總帶寬大約為300 kHz。