单电源仪表放大器电路图

作者：时间：2011-02-01 来源：网络

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关联,高频时,运放的差模闭环增益引起CMRR的降低。

3.1.2 二运放仪表Betway 体育的共模范围

二运放仪表Betway 体育的输入共模范围受编程增益的影响。图3中,A1工作在闭环增益为1.1时,输入端的任一共模电压都被放大（即输入共模电压经1.1倍放大后出现在A1的输出端）。

现在讨论仪表Betway 体育可编程增益为1.1时的情况（R₁=1kΩ,R₂=10kΩ,R₃=10kΩ,R₄=1kΩ）。A1的闭环增益为11,因为共模电压会被放大,所以输入共模范围受A1输出摆动幅度的严格限制。在应用中,强制性使用低电压引起的问题特别严重,这种情况下,运用满幅度放大器会增加一些摆动范围以缓解这个问题。

三运放仪表放大器

图5是三运放仪表放大器的结构,是分离和集成仪表放大器最常选的结构。整个增益的传输函数很复杂,当R₁=R₂=R₃=R₄时,传输函数可以简化为

（6）

R₅和R₆设置为相同值（通常在10～50kΩ）。简单地调节R_G的值,电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。

3.2.1 三运放仪表放大器的共模增益

如所期望的,仪表放大器的共模增益的理论值为0。为计算共模增益,设定输入端只有一个V_cm共模电压（也即V_in+=V_in-=V_cm）。R_G上没有电压降,A1,A2的输出电压也等于V_cm,设A1和A2理想匹配,因此第一个近似值即第一级共模增益等于单位值并独立于编程增益。

假定运放A3是理想的,第二级共模增益由式（7）得到

代入式（1）,共模抑制比就变为式（8）

式中的分母比二运放仪表放大器时复杂得多,而正如式（4）所示,分母可用电阻的失配百分率来表示,即

在式（8）中,如果4个电阻都相等（或R₁=R₃,R₂=R₄）,其分母就会变为0,而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。与二运放仪表放大器相似：任何电阻间温度漂移的失配都会降低CMRR。

3.2.2 三运放仪表放大器的交流CMRR

如果A1,A2很好的匹配（即相同的闭环带宽）,CMRR就不会像二运放那样迅速下降。对比一下图2和图4,三运放仪表放大器的CMRR在100Hz之前相对平坦,而二运放仪表放大器的CMRR在大约10Hz时就开始降低。

3.2.3 三运放仪表放大器的共模范围

三运放仪表放大器的第一级共模增益为单位值,共模电压原封不动的出现在图5中A1,A2的输出端,而差模输入电压（V_diff）降落在增益电阻上,结果电流流过R₅,R₆,这意味着当输入差模电压增加时,A1的电压将高于V_cm,A2的电压将低于V_cm。因此,当增益和（或）输入信号增加时,A1,A2的电压范围也会增加,最终被电源电压的范围所限制。可以知道,共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关联的。例如,增加增益会减小共模范围和输入电压范围,同样,增加共模电压会限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已知,那么就能很好地表示输入范围,共模范围和增益之间的关系,以服务于特殊的三运放仪表放大器。

工业应用中运用低电源电压时,可用的摆动范围也越来越少。至于二运放仪表放大器,可以用满幅度运放来解决这个问题,三运放仪表放大器中,因为过度的输入电压、共模电压或增益会削减输入级（A1,A2）的输出电压,所以满幅度输出级（A3）在这里根本起不了什么作用。

3.2.4 低共模应用中优化的单电源三运放仪表放大器

图6是AD623（低耗单电源满幅度仪表放大器）的简图,沿用传统的三运放仪表放大器结构,在用作输入级运放之前,正反相输入电压通过一个PNP管,电压上偏了0.6V。

要理解电平偏移的重要性,先要考虑仪表放大器工作的通常条件。图7示出了AD623的一个典型应用,仪表放大器放大的信号来自一个J型热电偶,仪表放大器连同A/D转换器共同由+5V单电源供电。此应用中。所测温度范围从－200～+200℃,相应的热电偶的电压范围为－7.890～10.777mV。

如通常一样,热电偶的一端接地,使偏置电流流入仪表放大器。因此,同相、反相输入电压中间的共模电压非常接近地电平。实际上,从热电偶而来的电压开始变负时,有效共模电压也变负。

在传统的三运放仪表放大器中,当热电偶电压开始大于零时,输入级的电压扩展效果会导致输入级的一个运放的输出电压变为地。图6的电平偏置结构通过有效的在共模电压上加0.6V,避免了这个问题,从而对地有更多的摆动范围,并且使A1和A2满幅度运放的输出电压处于线性区域,即使输入电压和共模电压低于地电平。输入电压可以负到150mV,这由编程增益和共模电压控制。

在此例中,仪表放大器的设置增益为91.9（R_G=1.1kΩ）,基准脚的电压设为2V,只要热电偶电压处在温度为－200～+200℃间变化,仪表放大器的输出电压范围就为1.274～2.990V（对地）,这个电压摆动范围很适合A/D转换器的输入电压范围（2V±1V）。

3.2.5 单电源二运放仪表放大器在低共模电压中的应用

加一个V_be电压降使共模电压升高的方法可应用于二运放仪表放大器。图8是AD627的简图,它是一个集成二运放仪表放大器,运用特殊技术来获得整个频率范围内的高CMRR。必须指出,对于三运放仪表放大器而言,必须注意补偿内部节点电压,避免信号饱和,这在单电源应用中格外严格。一般说来,最大增益由输出有效信号的范围决定（反相通道大于50mV,同相通道为100mV以内）。而在输入共模电压接近或等于零的单电源应用中,编程增益有一定限制。当输入、输出和基准引脚（REF）的电压范围由技术说明所规定时,这些引脚的电压范围是互相影响的。在图8中,由含有共模分量V_cm的差模电压V_diff驱动,运放A1输出端电压是V_diff、V_cm、V_ref引脚电压和编程增益的函数：