《仪表放大器应用工程师指南》-第 3 版.pdf

仪表放大器应用工程师指南仪表放大器应用工程师指南第 3 版 第 3 版 仪表放大器应用工程师指南仪表放大器应用工程师指南 第第 3 版版 美美Charles Kitchin 和和 Lew Counts 著著 i 高光天高光天 审译审译 Analog Devices,Inc.All rights reserved.This publication,or parts thereof,may not be reproduced in any form without permission of the copyright owner.Information furnished by Analog Devices,Inc.is believed to be accurate and reliable.However,no responsibility is assumed by Analog Devices,Inc.for its use.Analog Devices,Inc.makes no representation that the Interconnec-ttion of its circuits as described herein will not infringe on existing or future patent rights,nor do the descriptions contained herein imply the granting of licenses to make,use,or sell equipment constructed in accordance therewith.Specifications and prices are subject to change without notice.2006 Analog Devices,Inc.Printed in U.S.A.G02678159/06(B)Simplified Chinese language edition by Analog Devices,Inc.Copyright 2007 本书中文简体专有翻译出版权由 ADI 公司所有，未经许可不得以任何形式或手段复制或抄袭本书内容。ii 目录 目录 第第 I 章仪表放大器的基本原理章仪表放大器的基本原理.1-1 前言前言.1-1 仪表放大器与运算放大器的区别是什么？仪表放大器与运算放大器的区别是什么？.1-1 信号放大与CMR.1-1 运算放大器与仪表放大器的CMR比较.1-3 差分放大器差分放大器.1-5 在何处使用仪表放大器和差分放大器？在何处使用仪表放大器和差分放大器？.1-5 数据采集.1-5 医用仪器.1-6 监测和控制电子设备.1-6 软件编程方面的应用.1-6 音频方面的应用.1-6 高速信号调理.1-6 视频方面的应用.1-6 功率控制方面的应用.1-6 仪表放大器的外部特性仪表放大器的外部特性.1-6 表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？.1-7 高AC（和DC）CMR.1-7 低失调电压和低失调电压漂移.1-7 匹配的高输入阻抗.1-8 低输入偏置电流和低失调电流误差.1-8 低噪声.1-8 低非线性.1-8 增益选择方便.1-8 充裕的带宽.1-8 差分输入到单端输出的转换.1-9 R-R输入和输出.1-9 电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系.1-9 第第 II 章一仪表放大器的内部原理章一仪表放大器的内部原理.2-1 单运放减法放大器提供的仪表放大器功能.2-1 用输入缓冲器改进简单的减法放大器.2-1 三运放仪表放大器.2-2 三运放仪表放大器设计考虑.2-3 基本的双运放仪表放大器.2-4 双运放仪表放大器单电源工作共模电压设计考虑.2-5 第第 III 章章单片仪表放大器单片仪表放大器.3-1 优于用运放构成的仪表放大器优于用运放构成的仪表放大器.3-1 采用仪表放大器还是差分放大器？.3-1 单片仪表放大器设计内部原理单片仪表放大器设计内部原理 高性能仪表放大器.3-2 低成本仪表放大器.3-5 引脚可设置精密增益仪表放大器.3-6 自稳零仪表放大器.3-8 固定增益（低漂移）仪表放大器.3-16 单电源仪表放大器.3-17 低功耗、单电源仪表放大器.3-19 增益可设置仪表放大器.3-20 第第 IV 章章单片差分放大器单片差分放大器.4-1 差分放大器产品.4-1 AD8205差分放大器.4-3 iii 增益调节iv.4-6 高频差分（接收器）放大器.4-9 第第V章章仪表放大器的应用技巧仪表放大器的应用技巧.5-1 双电源工作.5-1 单电源工作.5-1 低电压、单电源电路中对真正R-R IA.5-1 电源旁路、退耦和稳定性问题.5-1 输入接地回路的重要性输入接地回路的重要性.5-2 AC耦合单电源IA可提供充裕的 输入和输出摆幅（“裕量”）.5-3 阻容耦合元件的选择和匹配.5-3 正确地驱动仪表放大器的参考输入端.5-4 电缆端接电缆端接.5-5 仪表放大器的输入保护基本原理仪表放大器的输入保护基本原理.5-5 防ESD和DC过载的输入保护.5-5 使用外接二极管的输入保护.5-8 防 ESD 和瞬态过载的输入保护.5-9 影响影响 DC精度的设计问题精度的设计问题.5-9 针对最低限失调电压漂移的设计.5-9 针对最低限增益漂移的设计.5-9 实用解决方案.5-11 方案1：采用优质的增益电阻.5-11 方案2：采用固定增益的仪表放大器.5-11 RTI和和RTO误差误差.5-11 失调误差.5-12 噪声误差.5-12 减小仪表放大器电路中的减小仪表放大器电路中的RFI整流误差整流误差.5-12 设计实用的RFI滤波器.5-12 用试选法选择RFI滤波器元件值.5-14 具体的设计案例.5-15 用于AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路.5-15 用于微功耗仪表放大器的RFI电路.5-15 用于AD623仪表放大器的RFI滤波器.5-16 AD8225 RFI滤波器电路.5-16 用于用于AD8555传感器放大器的传感器放大器的RFI滤波器滤波器.5-17 具有内置 EMI/RFI 滤波的仪表放大器.5-17 采用 X2Y 电容器的共模滤波器.5-19 用于仪表放大器RFI滤波器的共模RF扼流圈.5-20 RFI测试测试.5-21 采用低通滤波器提高信噪比采用低通滤波器提高信噪比.5-21 外部调节外部调节 CMR 和建立时间和建立时间.5-23 第第 VI 章章仪表放大器与差分放大器的应用电路仪表放大器与差分放大器的应用电路.6-1 真差分输出仪表放大器电路.6-1 使用差分放大器测量高电压信号使用差分放大器测量高电压信号.6-1 精密电流源.6-3 用于 PID 回路的积分器.6-3 组合仪表放大器具有优良的高频 CMR.6-3 采用采用 AC激励的应变计测量激励的应变计测量.6-5 AD628精密增益电路的应用精密增益电路的应用.6-6 为什么使用增益电路？.6-6 具有单极点LP滤波器的标准差分输入ADC缓冲器.6-6 改变输出比例系数.6-7 器件的需求 v 用一只外部电阻器将AD628的增益设置在0.1以下.6-7 具有双极点 LP 滤波的差分输入电路.6-8 用 AD628 构造精密增益电路.6-9 用 AD628 实现10 或10 精密增益电路.6-9 用 AD628 实现11 精密增益电路.6-10 用 AD628 实现1 精密增益电路.6-10 用前馈增加带宽提供9.91 增益.6-11 电流变送器抑制接地噪声电流变送器抑制接地噪声.6-12 大幅度模拟输入大幅度模拟输入 ADC 接口接口.6-13 高速同相求和放大器高速同相求和放大器.6-15 高电压监测电路高电压监测电路.6-16 48 V总线精密监测电路总线精密监测电路.6-17 采用低端开关的高端电流检测采用低端开关的高端电流检测.6-18 采用高端开关的高端电流检测采用高端开关的高端电流检测.6-19 电机控制.6-19 电桥应用电桥应用.6-19 典型电桥电路.6-19 单电源数据采集系统.6-20 低压降双极性电桥驱动器.6-20 传感器接口的应用传感器接口的应用.6-21 心电图仪的信号处理心电图仪的信号处理.6-21 远程负载检测技术远程负载检测技术.6-24 精密电压电流转换器精密电压电流转换器.6-24 电流传感器接口电流传感器接口.6-24 低功耗仪表放大器的输出缓冲低功耗仪表放大器的输出缓冲.6-25 4 mA20 mA 单电源接收器单电源接收器.6-26 单电源热电偶放大器单电源热电偶放大器.6-26 专业音频产品专业音频产品.6-26 第第VII章章仪表放大器与现代仪表放大器与现代ADC匹配匹配.7-1 计算对 ADC 分辨率的要求.7-1 ADI公司仪表放大器与现代ADC匹配.7-2 高速数据采集.7-7 用于高速数据采集的仪表放大器电路.7-8 附录附录A仪表放大器技术指标仪表放大器技术指标.A-1（A）技术指标(工作条件).A-3（B）CMR.A-3（C）AC CMR.A-3（D）失调电压 .A-3（E）输入偏置电流和失调电流.A-4（F）工作电压范围.A-4（G）静态电源电流.A-4（H）建立时间.A-5（I）增益.A-5（J）增益范围.A-5（K）增益误差.A-5（L）非线性误差.A-6（M）增益与温度的关系.A-6（N）单电源仪表放大器的关键技术指标.A-6 输入和输出电压摆幅.A-6 附录附录 B差分放大器和仪表放大器选择表差分放大器和仪表放大器选择表.B-1 索引索引.C-1 产品索引产品索引.D-1 参考文献参考文献 Brokaw,Paul.“An IC Amplifier Users Guide to Decoupling,Grounding,and Making Things Go Right for a Change.”Application Note AN-202.Analog Devices,Inc.,1990.Jung,Walter.IC Op Amp Cookbook.3rd ed.Prentice-Hall PTR,1986,1997,ISBN:0-13-889601-1.This can also be purchased on the Web at http:/.Jung,Walter.Op Amp Applications Book.Analog Devices Amplifier Seminar.Code:OP-AMP-APPLIC-BOOK.Call:(800)262-5643(US and Canadian customers only).Kester,Walt.Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning.Analog Devices,Inc.,1999,Section 10.ISBN-0-916550-20-6.Available for download on the ADI website at .Nash,Eamon.“Errors and Error Budget Analysis in Instrumentation Amplifier Applications.”Application Note AN-539.Analog Devices,Inc.Nash,Eamon.“A Practical Review of Common-Mode and Instrumentation Amplifiers.”Sensors Magazine,July 1998.Sheingold,Dan,ed.Transducer Interface Handbook.Analog Devices,Inc.1980,pp.28-30.Wurcer,Scott and Jung,Walter.“Instrumentation Amplifiers Solve Unusual Design Problems.”Application Note AN-245.Applications Reference Manual.Analog Devices,Inc.致致 谢谢 我们衷心感谢给予支持和帮助的 ADI 公司的以下同事：Moshe Gerstenhaber,Scott Wurcer,Stephen Lee,高光天,Scott Pavlik,Henri Sino,Alasdair Alexander,Chau Tran,Addrew Tang,Tom Botker,Jim Bundock,Sam Weinstein,Chuck Whiting,Matt Duff,Eamon Nash,Walt Kester,Alain Guery,Chris Augusta,Claire Croke,Nicola OByrne,James Staley,Ben Doubts,Padraig Cooney,Leslie Vaughan,Edie Kramer 和 Lynne Hulme。感谢 X2Y 科技有限公司的 David Anthony 和韦尔设计工程公司的 Steven Weir 提供了关于 X2Y 产品用于 RFI 抑制的详细应用信息。最后，特别感谢 ADI 公司的通信服务团队，包括 John Galaxy,Alex Wong,Terry Gildred,Kirsten Dickerson 和 Kelley Moretta。本书提到所有的品牌或者产品名称都属于各自所有权的商标或者注册商标。Purchase of licensed components of Analog Devices or one of its sublicensed Associated Companies conveys a license for the purchaser under the Philips I2C Patent Rights to use these components in an I2C system,provided that the system conforms to the I2C Standard Specification as defined by Philips.vi 非常感谢 ADI 公司高光天先生对本书在中文翻译方面的帮助，他对全书内容做了全面的技 术审定。第章 仪表放大器的基本原理仪表放大器的基本原理 前言前言 仪表放大器有时被错误地理解。不是所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，并且所有的仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于许多领域，从电机控制到数据采集以及汽车系统。本书的目的是阐述什么是仪表放大器，它如何工作，如何使用它以及在何处使用它等基本问题。另外，本书还介绍几种不同类型的仪表放大器。仪表放大器与运算放大器的区别是什么？仪表放大器与运算放大器的区别是什么？仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值109。其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA50 nA。与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（m）。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻器决定。与运算放大器不同的是，仪表放大器使用与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可以由用户将引脚连接到内部或者外部增益电阻器而设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。图 1-1 示出一个电桥前置放大器电路，这是一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻器的阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生差分电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压，其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流（DC）电压也施加到两输入端。通常，该直流电压通常在两输入端是相等的或是共模的。DC 电压或者两输入端的任何其它共模电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。相反，如果在此应用中使用标准的运算放大器，则其仅能简单地放大差模信号电压以及任何 DC 信号、噪声或其它共模电压。结果，该信号会淹没在DC 失调电压和噪声之中。因此，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱信号。图 1-2 对比了运算放大器与仪表放大器输入特性之间的差别。信号放大与信号放大与 CMR 仪表放大器是一种放大两输入端信号电压之差同时抑制两输入端任何共模信号的器件。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时能够提供非常重要的功能。共模抑制（CMR）是抑制任何共模信号（两输入端信号幅度相同）同时放大差模信号（两输入端的信号幅度差）的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。DC 和交流（AC）CMR 都是仪表放大器的重要技术指标。使用现代任何质量合格的仪表放大器都能将由 DC 共模电压（即，出现在两输入端的 DC 电压）产生的任何误差减小到 80 dB120 dB。然而，如果 AC CMR 不够大，则会产生很大的时变误差。由于它通常随着频率产生很大变化，因此难于在仪表放大器的输出端将其消除。幸好大多数现代单片集成电路（IC）仪表放大器可提供优良的 AC CMR 和 DC CMR。1-1 图电桥电路 电桥电桥 电源电压电源电压 1-1.AD8221仪表放大器的主要作用在于通常抑制共模 共模增益（ACM）是指输出电压变化与共模输入电压变化之比，它与CMR有关。ACM是指两个输入端施加共模电压时从输入到输出的净增益（或衰减）。例如，如果仪表放大器的共模增益为 1/1000，则其输入端的 10 V共模电压在其输出端会呈现出10 mV的变化。差模增益或常模增益（AD）是指在两个输入端施加（或跨接）不同的电压时输入与输出之间的电压增益。共模抑制比（CMRR）是指AD与ACM之比。请注意在理想的仪表放大器中，CMRR将随增益的增加成比例增大。CMR 通常是在给定频率和指定的不平衡源阻抗条件下（例如，60 Hz 频率，1 k 不平衡源阻抗）对满度范围共模电压（CMV）的变化规定的。数学上，CMRR 可用下式表达：=OUTCMDVVACMRR 其中：AD是放大器差模增益。VCM是放大器输入端的共模电压。VOUT是将共模输入信号施加到放大器时的输出电压。CMR 是 CMRR 的对数表达形式，即：CMR=20Log10 CMRR 为了使仪表放大器有效地工作，要求它既能放大微伏（V）级信号，同时又能抑制输入端的共模电压。这对于能够在有效带宽内抑制共模信号的仪表放大器来说特别重要。这要求仪表放大器在主要的有效频率及其谐波范围内具有非常高的 CMR。1-2 仪表放大器具有非常高的输入阻抗并且两端仪表放大器具有非常高的输入阻抗并且两端 输入阻抗紧密匹配，使其适合测量低电压和输入阻抗紧密匹配，使其适合测量低电压和 小电流小电流不降低输入信号源的带载能力。不降低输入信号源的带载能力。参考电压参考电压 用电桥测量电压用电桥测量电压 在线电流测量在线电流测量 仪表放大器输入特性仪表放大器输入特性 图示为典型运放在反向放大工作方式图示为典型运放在反向放大工作方式 下的输入阻抗下的输入阻抗 图示为典型运放在开环图示为典型运放在开环 条件下的输入阻抗条件下的输入阻抗 运算放大器输入特性运算放大器输入特性 图1-2.运算放大器与仪表放大器输入特性比较 典型典型 运放运放 典型典型 运放运放 典型仪表放大器输入阻抗很高并且两端典型仪表放大器输入阻抗很高并且两端 输入阻抗相等。由于输入电流微弱，输入阻抗相等。由于输入电流微弱，因此因此IBR产生很小的误差电压。产生很小的误差电压。B 仪表仪表 放大器放大器 仪表仪表 放大器放大器 如输入端所示如输入端所示 带外信号经过仪表放大器，在输出端可能表现为 DC 输出失调误差，降低这种误差的方法，请参考本书的有关 RFI 章节。在单位增益（G=1）时，典型的 DC CMR 值为 70 dB100 dB 以上；在高增益时，通常 CMR 会得到改善。虽然接成减法器方式的运算放大器确实也可提供 CMR，但用户必须提供精密匹配的外部电阻器（以提供足够大的 CMR）。另外一方面，集成预调整电阻网络的单片仪表放大器更易于使用。运算放大器与仪表放大器的运算放大器与仪表放大器的 CMR 比较比较 运算放大器、仪表放大器和差分放大器均可提供CMR。然而，仪表放大器和差分放大器适合用于抑制共模信号，以使其不出现在放大器的输出端。相反，按照典型的反相或同相放大器配置的运算放大器处理共模信号时，通常并不会抑制它们，而是将其送至输出端。图 1-3a示出一个运算放大器样例，与其连接的输入信号源叠加在一个共模电压之上。由于反馈是从外部施加在输出端与求和节点之间，因此迫使“”输入端的电压与“”输入端的电压相同。所以该运算放大器的两输入端之间的电压理想情况下应为 0 V。因此，对应于 0 V差分输入，该运算放大器的输出端电压必须等于VCM。虽然运算放大器具有 CMR，但是其会将共模电压和信号电压一起传送到输出端。实际上，信号由运算放大器的闭环增益放大，而共模电压仅得到单位增益。这种增益方面的差异确实能按照信号电压的百分比减小共模电压。然而，共模电压依然会出现在输出端，并且它的存在降低了放大器的有效输出范围。出于多种原因，出现在运算放大器输出端的任何共模信号（DC 或 AC）都是人们所不期望的。1-3 VOUTV=VCMV+=VCMVCMR2R1VINVCMVOUT=(VIN GAIN)VCM=R2/R1=1 共模增益共模增益0 V 图1-3a.在利用运算放大器构成的一个典型的反相或同相放大器电路中，信号电压和共模电压都出现在放大器的输出端。G 图1-3b示出一个在上述相同条件下工作的三运放仪表放大器。请注意，类似于运算放大器电路，仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益通过共模信号。相反，两个缓冲器放大信号电压。来自两个缓冲器的输出信号连接到该仪表放大器的减法器单元。在这里（通常以低增益或单位增益）放大差分信号，同时衰减（典型值为 10000:1 或以上）共模电压。比较以上两个电路，两者都提供信号放大（和缓冲）功能，但是由于仪表放大器减法器单元的作用，仪表放大器抑制了共模电压。图 1-3c 示出一个仪表放大器电桥电路。该仪表放大器有效地抑制了出现在电桥两个输出端的 DC共模电压，同时放大了非常微弱的电桥信号电压。此外，许多现代仪表放大器可提供接近 80 dB 的CMR，从而允许使用低成本、非稳压的 DC 电源激励电桥。相反，使用运算放大器和 0.1%精度电阻器自行搭建的仪表放大器，通常只能达到 48 dB 的CMR，因此需要一种经过稳压的 DC 电源来激励电桥。1-4 VOUTVCM=0VOUT=VCMVCMVCMVCMRGVINVCMVOUTVCMVCMVIN缓冲器缓冲器 减法器减法器 放大器放大器 缓冲器缓冲器 电桥传感器电桥传感器 仪表放大器仪表放大器 图1-3c.用于电桥电路的仪表放大器。这里的DC共模电压很容易接近电源电压 图1-3b.单位增益通过共模电压。然而，仪表放大器的减法器单元却能抑制共模电压。正如上述运算放大器电路，仪表放大器电路的输入缓冲器放大信号电压，同时以三运放仪表三运放仪表VINGVING内部或外部增益电阻器电源电压内部或外部增益电阻器电源电压 差分放大器差分放大器 图 1-4 示出一种差分放大器的框图。这种类型的 IC 是一种专用仪表放大器，它通常由一颗减法器放大器和随后的输出缓冲器（或者是增益级）组成。减法器中使用的四只电阻器通常集成在 IC 内部，因此它们能够精密匹配以达到高的 CMR。许多差分放大器都适合用于共模电压和信号电压很可能超过电源电压的应用。这些差分放大器通常采用阻值很高的输入电阻器以衰减信号电压和共模输入电压。在何处使用仪表放大器和差分放大器？在何处使用仪表放大器和差分放大器？数据采集数据采集 仪表放大器的主要用途是放大噪声环境中传感器输出的弱信号。对压力传感器或温度传感器信号的放大是常见的仪表放大器应用。常见的电桥应用包括使用负荷传感器测量应变力和重量以及使用电阻温度检测器（RTD）测量温度。1-5 VOUT380k380k380k380kVCMVCMVIN差分放大器差分放大器 图1-3d.差分放大器在DC（或AC）共模电压可能超过电源电压的应用场合（例如检测电池组中的一节电池的电压）特别有用。差分输入信号差分输入信号 到到图1-4.差分放大器IC 图 1-3d 示出一种差分放大器（又称减法器）用于检测电池组中一节电池的电压，在该应用中 DC共模电压很可能会超过放大器的电源电压。有些单片差分放大器（例如 AD629）可以在高达270 V 共模电压条件下工作。医用仪器医用仪器 仪表放大器广泛用于医用设备，例如心电图仪（EKG）和脑电图仪（EEG）、血压计以及除颤器。监测和控制电子设备监测和控制电子设备 差分放大器可用于监测系统中的电压或电流并且当超过正常值后触发报警系统。由于差分放大器能够抑制高共模电压，因此它们经常用于这类应用。软件可编程应用软件可编程应用 仪表放大器可以与软件可编程的电阻器芯片一同使用，以允许软件控制硬件系统。由于仪表放大器具有高 CMR，因此有时将它们用于音频方面（例如传声器前置放大器），以便从噪声环境中提取微弱信号并且最大程度减小由于接地环路引起的失调电压和噪声。请参考表 6-4ADI公司的音频专用产品（第 6-26 页）。高速信号调理高速信号调理 由于当今视频数据采集系统对速度和精度要求的提高，因此对宽带仪表放大器的需求不断增长，特别是在要求进行失调修正和输入缓冲的 CCD 成像设备领域。这个领域通常采用双修正采样技术对CCD 图像进行失调修正。其使用两个采样保持放大器监测像素和参考电平，并且将它们的信号电压馈送到仪表放大器，从而提供修正 DC 的输出。视频应用视频应用 高速仪表放大器可用于许多视频和电缆射频（RF）系统，以放大或处理高频信号。功率控制应用功率控制应用 仪表放大器还可以通过测量三相 AC 电机的电压超过电源电压的应用。仪表放大器的外部特性仪表放大器的外部特性 图 1-5 示出仪表放大器的功能框图。1-6 噪声增益选择信号源噪声增益选择信号源DC 电源电源 同相输入仪表放大器同相输入仪表放大器 反相输入负载电源地负载返回共模电压增益选择有两种方法：反相输入负载电源地负载返回共模电压增益选择有两种方法：一种是连接有关引脚，一种是连接有关引脚，另一种是使用外部电阻器。另一种是使用外部电阻器。噪声噪声噪声噪声图1-5.差分与共模输入信号 音频应用音频应用压、电流和相位关系来监控电机（监测和控制电机的转速、转矩等）。差分放大器适用于输入信号电 由于理想的仪表放大器仅检测两输入端的电压差，因此任何共模信号（即对两个输入端有相同电位），例如噪声和地线中的电压降，都在输入级被抑制而不进行放大。可以利用内部电阻器或者外部电阻器设置仪表放大器的增益。内部电阻器最精确并且增益对温度的漂移最低。一种常用的方法是使用一只外部电阻器和两只内部电阻器一起设置增益。用户可以根据仪表放大器技术资料中给出的增益公式计算出给定增益所需的电阻值。这允许在非常宽的范围内设置增益。然而，外部电阻器很少能够精确到所需增益要求的准确电阻值，并且它的温度总是与 IC 内部电阻器的温度有略微的差异。这些实际问题常常是产生额外增益误差和增益漂移的原因。有时使用两只外部电阻器设置增益。通常双电阻器解决方案比单电阻器解决方案具有更低的漂移，因为当使用两只电阻器阻值的比值设置增益时，由于这两只电阻器封装在一颗 IC 内，因此它们可以精密匹配并且具有非常接近的温度系数（TC）。相反，一只外部电阻器的 TC 常常与片内电阻器的 TC不匹配。仪表放大器的输出通常有它自己的参考端，它允许仪表放大器驱动配置在远端的负载（包括其它用法）。图 1-5 示出输入公共端和输出公共端都返回到同一电位，在本例中返回到电源地。这种星形接地对减小电路中的接地环路是一种非常有效的方法；但是一些残留的共模接地电流仍然会存在，这些电流流过RCM，将产生共模电压误差VCM。仪表放大器借助于高CMR特性可在放大差分信号的同时抑制VCM和任何共模噪声。当然，必须为仪表放大器提供电源。与运算放大器一样，通常采用双电源为仪表放大器供电，使其在规定范围内正常工作。另一方面，仪表放大器也可采用单电源（R-R）工作。仪表放大器可以采用一颗或多颗运算放大器及搭建而成的分立式结构，也可以采用单片式结构。这两种方法各有优缺点。通常，分立式结构（运算放大器）仪表放大器能够以低成本提供设计灵活性，并且有时能提供单片式结构无法达到的性能，例如非常宽的带宽。相反，单片式结构提供了完整的仪表放大器功能，完全达到规定的技术指标，并且通常在出厂时经过调整，通常其 DC 精度高于分立式结构。单片式仪表放大器还具有小尺寸、低成本和简单易用的优势。表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？表征高品质仪表放大器的其它特性是什么？具有高 CMRR 的仪表放大器需要具有下述的特性。高高 AC（和（和 DC）CMR 至少在需要抑制的输入频率范围内，仪表放大器的 CMR 应该很高。这包括在电力线频率及其二次谐波频率范围具有高 CMR。低失调电压和低失调电压漂移低失调电压和低失调电压漂移 与运算放大器一样，仪表放大器必须具有低失调电压。由于仪表放大器由两个独立的部分组成：输入级和输出放大器，因此总输出失调等于输入失调乘以增益加上输出放大器（仪表放大器内部）的失调。输入失调和输出失调的典型值分别为 1 V/C和 10 V/C。尽管初始失调电压可通过外部调整为零，但失调电压漂移不能通过调整来消除。与初始失调电压一样，仪表放大器的失调漂移也由两部分组成，即输入部分和输出部分，每一部分都对总误差起作用。当增益增加时，输入级的失调漂移成为主要的失调误差源。1-7 匹配的高输入阻抗匹配的高输入阻抗 仪表放大器的同相输入端的和反相输入端的阻抗必须很高而且相互之间精密匹配。仪表放大器的高输入阻抗是必须的，这是为了避免降低输入信号源的带载能力，并且由此可能会降低输入信号电压。输入阻抗的典型值为 109 1012。差分放大器（例如AD629）具有较低的输入阻抗，但是在高共模电压的应用中非常有效。低输入偏置电流和低失调电流误差低输入偏置电流和低失调电流误差 仍然类似于运算放大器，仪表放大器具有流入（FET）输入仪表放大器，偏置电流是栅极漏电流。偏置电流流过不平衡的信号源电阻时会产生失调误差。请注意，如果输入源电阻无限大，例如在输入级 AC（电容）耦合而没有电阻路径返回到电源地的情况下，输入共模电压将上升直到放大器处于饱和状态。为防止这一问题，通常在每个输入端和地之间连接一只高阻值的电阻器。通常，输入偏置电流乘以该电阻欧姆值的典型值应小于 10 mV（见第章）。输入失调电流误差是指流过两个输入端的偏置电流之间的失配程度。双极型仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA50 nA；而 FET 输入仪表放大器的偏置电流在室温下的典型值为1 pA50 pA。低噪声低噪声 由于仪表放大器必须能够处理非常小的输入电压，因此它绝对不能把自身的噪声信号叠加到信号电压上。在 1 kHz（增益大于 100）的条件下，折合到输入端（RTI）的最小输入噪声为 10 nV/Hz-。微功耗仪表放大器适合于要求尽可能低输入电流的应用，因此通常它比输入电流大的仪表放大器具有更大的噪声。低非线性低非线性 增益选择方便增益选择方便 增益选择应该很容易。通常采用一只外部增益电阻器设置增益，但是外部电阻器会影响电路的精度并且引起增益随温度的漂移。仪表放大器（例如AD621）提供一种通过引脚选择内部预置增益的方法，并且具有非常低的 TC。充裕的带宽充裕的带宽 仪表放大器必须能够为具体的应用提供足够的带宽。由于典型的单位增益小信号带宽是 500 kHz4 MHz，因此在低增益时很容易满足带宽要求，但是在较高增益时带宽会成为较大的问题。微功耗仪表放大器通常具有比标准仪表放大器更窄的带宽，这是因为微功耗仪表放大器输入级的工作电流比标准仪表放大器小很多。1-8 输入失调和比例系数误差都能通过外部调整来它不能由外部调整来消除。低非线性误差必须由仪表放大器制造商的结构设计来保证。非线性误差通常是指在正满度电压、负满度电压和零电压条件下，制造商测量出的仪表放大器误差占满度的百分数。对于高质量的仪表放大器，典型的非线性误差为0.01%，有的甚至低于 0.0001%。和流出其两个输入端的偏置电流对于双极型输入仪表放大器，偏置电流是基极电流；对于场效应管；修正，但非线性误差是器件的固有性能限制，因此 差分输入到单端输出的转换差分输入到单端输出的转换 当然，差分输入到单端输出的转换是构成仪表放大器完整功能的一部分：放大和缓冲差分输入电压，提供单端输出电压。在许多仪表放大器应用中需要放大叠加在高共模电压之上的差分电压。这种共模电压可能是噪声、模数转换器（ADC）的失调电压或者两者兼有。如果使用运算放大器而非仪表放大器，则只能简单地以相同增益一起放大共模电压和信号电压。而仪表放大器的最大优点是选择性地放大（差分）信号同时抑制共模信号。R-R 输入和输出输入和输出 现代仪表放大器常常需要 5 V 或低于 5 V 的单电源电压供电。在许多此类应用中，经常用到满电源摆幅(R-R)输入 ADC。所谓满电源摆幅工作的含义是指放大器的最大输入摆幅或输出摆幅几乎等于电源电压。实际上，输入摆幅有时会略微超过电源电压，而输出摆幅通常在高于地电位或低于电源电压的范围内摆动。请仔细注意推荐的技术资料中的技术指标。电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系电源与带宽、转换速率和噪声之间的关系 按照一般规律，仪表放大器的输入部分的工作电流越大，其带宽和转换速率越大并且噪声越低。但是增大工作电流意味着增加功耗和发热。电池供电的设备需要使用低功耗器件，布线密集的印制电路板（PCB）必须能够散发掉所有有源器件产生的热量。器件发热又会增加失调漂移和其它与温度相关的误差。IC标以维持可接受的功耗和漂移。1-9 应用工程师经常必须折衷一些技术指100 mV 第章 仪表放大器的内部原理仪表放大器的内部原理 单运放减法放大器提供的仪表放大器功能单运放减法放大器提供的仪表放大器功能 实现差分增益电路的最简单（但是非常实用）的方法如图 2-1 所示。如果R1 R3，R2 R4，则 VOUT=(VIN2VIN1)(R2/R1)尽管这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些局限性。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在该该示例子中，VIN1反相输入阻抗等于 100 k，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即 200 k。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，会产生不同的电流，这取决于电压加在哪个输入端（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMR）。另外，这一电路要求电阻对R1/R2和R3/R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有所差异，这将直接影响CMR。例如，当增益等于 1时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一个电阻值有 0.1%失配，则其CMR将下降到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 的不平衡将使CMR下降 6 dB。尽管有这些缺点，但此类简单的仪表放大器电路可用作高性能仪表放大器内部的单元电路，通常称之为差分放大器或减法放大器。它在视频和其它高速应用中，或者在低频、高共模电压（CMV）应用中可作为一个独立功能电路，其中输入电阻器用来降低输入电压，也为该放大器提供输入保护。有些单片减法放大器，例如在 ADI 公司的 AD629 设计过程中，改进了简单的减法放大器。这允许该芯片能够处理高于自身电源电压的共模输入电压。例如，当 AD629 采用15 V 电源供电时，它可以放大叠加在高达270