胡詩(shī)文

摘 要：儀表放大器是一種差分輸入和相對(duì)參考單端輸出的閉環(huán)增益組件，能夠進(jìn)行差分輸出和相對(duì)參考端輸出的單端輸出能力。儀表放大器有著高輸入阻抗、高共模抑制比的特點(diǎn)，因此，常常被應(yīng)用為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端放大器，但是，工作環(huán)境不同，對(duì)于儀表放大器的要求也存在差異。該文主要針對(duì)儀表放大器應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：儀表放大器 相關(guān)問(wèn)題 分析

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0037-02

隨著電子技術(shù)水平的提升，儀表放大器得到了廣泛應(yīng)用，筆者通過(guò)對(duì)儀表放大器的研究，根據(jù)儀表放大器的概念和特征，探討了儀表放大器與運(yùn)算放大器之間的差異和儀表放大器的基本原理，最后詳細(xì)敘述了放大器的應(yīng)用問(wèn)題。

1 儀表放大器

儀表放大器是一種差分輸入和相對(duì)參考單端輸出的閉環(huán)增益組件，能夠進(jìn)行差分輸出和相對(duì)參考端輸出的單端輸出能力。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、單端輸出的功能。儀表放大器隨著科技的發(fā)展已經(jīng)能夠應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，它將關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)，特殊的構(gòu)造使它有著許多優(yōu)秀的性能，尤其是在醫(yī)療器械、音響設(shè)備數(shù)據(jù)采集方面都有很好效果。儀表放大器的應(yīng)用會(huì)受到多種因素的影響：第一，由于儀表放大器采用了三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在平衡輸入時(shí)，兩輸入運(yùn)放差分輸入范圍增大，但是輸出級(jí)動(dòng)態(tài)范圍不變，因此，是無(wú)法擴(kuò)展其有效輸入范圍的；第二，一般情況下，放大器與被測(cè)信號(hào)之間不會(huì)設(shè)置公共端，要保證儀表放大器可以正常工作，離不開(kāi)偏置電流路徑，如果沒(méi)有達(dá)到這一要求，兩端入端就會(huì)懸浮起來(lái)，致使輸入運(yùn)放超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍，為了解決這一問(wèn)題，需要設(shè)置好相關(guān)的偏置電流通路，這樣既可由偏置電阻來(lái)決定輸入阻抗；第三，如果使用不平衡輸入方式，雖然可以獲取到理想的阻抗，但是，運(yùn)放輸入范圍較小，共模抑制性也會(huì)受到影響?？傊?，要求儀表放大器同時(shí)具有寬輸入范圍和高輸入阻抗，并保持優(yōu)秀的共模抑制性能，這在事實(shí)上是不可能的。

2 儀表放大器的特性

儀表放大器能夠?qū)崿F(xiàn)低輸入偏置電流和低失調(diào)電流誤差，它擁有偏置電流輸入和輸出兩個(gè)端口，并且根據(jù)它的類型不同存在著一定差別。首先，偏置電流經(jīng)過(guò)不平衡電阻時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)失調(diào)誤差，而向儀表放大器中輸入失調(diào)電流誤差就是失配程度。其次，由于儀表放大器的工作環(huán)境要求其必須能夠處理低輸入電壓的情況，所以儀表放大器自身產(chǎn)生的噪音信號(hào)就絕對(duì)不能與電信號(hào)一同處理。1 000 Hz的條件下，輸入端的最小噪聲為10 nV/ √ Hz， 微功耗的儀表放大器與其他放大器相比更能接受低的輸入電流，相對(duì)得會(huì)產(chǎn)生得到的噪音。最后，輸入失調(diào)以及比例系數(shù)誤差等問(wèn)題都能夠通過(guò)外部增加裝置進(jìn)行修正，但是非線性是儀表放大器出廠之后就確定的，是無(wú)法經(jīng)過(guò)任何方式改變的。低非線性誤差是在儀表放大器出廠時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證的。非線性誤差的規(guī)定是滿度電壓或零電壓的情況下，高質(zhì)量?jī)x表放大器誤差小于等于0.01%。儀表放大器是由兩級(jí)差分放大器電路有機(jī)組成，差分輸入能夠放大系統(tǒng)的對(duì)差信號(hào)，對(duì)于共模輸入，可以起到相應(yīng)跟隨效果，繼而提高共模抑制比，如果共模抑制比要求沒(méi)有變化，即可降低電阻精度匹配要求。依據(jù)儀表放大器的功能和特點(diǎn)，其一般應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大、信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面。

3 儀表放大器與運(yùn)算放大器的差別

儀表放大器是能夠進(jìn)行差分輸入和單端輸出的特殊元件，它的輸入端口的電阻大小相近，而且阻值也很大。運(yùn)算放大器在這一方面與儀表放大器相同，輸出阻抗很低，運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益與反向輸出和輸入之間的外接電阻所決定的。而有差別的是，儀表放大器內(nèi)部擁有一個(gè)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的隔離，對(duì)放大器兩個(gè)輸入端同時(shí)通入信號(hào)，增益可以有內(nèi)部預(yù)先設(shè)定也可以有用戶連接增益電阻器自行設(shè)置，增益電阻器也是與信號(hào)輸入端沒(méi)有任何聯(lián)系的。

4 儀表放大器的技術(shù)原理

儀表放大器的功能是放大輸入信號(hào)的電壓差，達(dá)到一致輸入端共模信號(hào)的元件。所以儀表放大器的核心功能就是從傳感器或其它信號(hào)源內(nèi)提取信號(hào)，共模抑止是指兩個(gè)輸入端電位相同時(shí)放大電位差。這是儀表放大器最主要的工作。直流和交流共模抑制是儀表放大器的生產(chǎn)指標(biāo)。目前市面上質(zhì)量合格的儀表放大器都能夠做到兩個(gè)輸入端的直流電壓保持在80～120 dB之間。但是交流共模抑制不夠大，會(huì)出現(xiàn)一定誤差，因?yàn)樗话闶歉S頻率的變化規(guī)律運(yùn)行的，因此，無(wú)法在儀表放大器的輸入端消除。共模增益是指輸出電壓與共模輸入電壓之間的變化比值，輸入端通入共模電壓，在輸出端呈現(xiàn)的電壓變化。常模增益是指兩輸入端通入不同的電壓時(shí)，輸出和輸入之間出現(xiàn)的電壓增益。

5 儀表放大器的應(yīng)用

AD623是市面上最流行儀表放大器得型號(hào)，它具有價(jià)格低廉、輸出幅度能達(dá)到電源電壓的優(yōu)點(diǎn)。它的特點(diǎn)是可以外接電阻設(shè)置增益，為用戶帶來(lái)了方便，具有性能優(yōu)良的直流特性以及共模抑制比，而且這一類型的儀表放大器的輸入范圍很寬，很容易實(shí)現(xiàn)最佳性能、低功耗等。它的出現(xiàn)快速占領(lǐng)了分立器件結(jié)構(gòu)的儀表放大器的市場(chǎng)，以線性度優(yōu)良、價(jià)格低廉。溫度穩(wěn)定性高成為了儀表放大器的首選。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著科技水平的提升，儀表放大器也應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，儀表放大器的出現(xiàn)起源于對(duì)運(yùn)算放大器的探索，并且青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。儀表放大器以其出色的性能在醫(yī)療器械、高速信號(hào)調(diào)節(jié)等領(lǐng)域都有杰出表現(xiàn)。國(guó)外對(duì)于儀表放大器的研究已經(jīng)開(kāi)展多年，但是由于過(guò)去我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，在這一領(lǐng)域也沒(méi)有深入研究。因此，需要我國(guó)政府對(duì)這一方面給予足夠重視，對(duì)于這一領(lǐng)域的企業(yè)進(jìn)行政策扶持，加快國(guó)家在儀表放大器領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)儀表放大器進(jìn)行研究，吸取國(guó)外先進(jìn)的儀表放大器制作經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取快速實(shí)現(xiàn)儀表放大器的自主生產(chǎn)，推動(dòng)企業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而強(qiáng)化我國(guó)研發(fā)實(shí)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王三強(qiáng)，何為，石堅(jiān).新型腦電信號(hào)前置級(jí)放大電路設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，29（6）：51-53.

[2] 李新偉，李斌，王高揚(yáng).基于非理想運(yùn)放模型的共模抑制比的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015（5）：170-171.

[3] STEPHEN LEE，JOHN Kruse.Bio-potential Electrode sensors in ECG/EEG/EMG systems[EB/OL].www.analog.com/medicalICs，2008.

[4] 張石銳，鄭文剛，黃丹楓，等.微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（23）：223-224.

[5] Koli，Kimmo，Halonen，Kari A.I.CMRR enhancement techniques for current-mode instrumentation amplifiers[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Fundamental Theory and Applications，2000，47（5）：622-632.