隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用，而作為一種精密差分電壓放大器，儀表放大器在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景也愈加的豐富。
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)，適用于壓力或溫度測(cè)量等各種應(yīng)用領(lǐng)域。它的主要作用包括信號(hào)放大和阻抗適配。利用差分小信號(hào)疊加在較大的共模信號(hào)之上的特性，儀表放大器能夠去除共模信號(hào)，而又同時(shí)將差分信號(hào)放大。其關(guān)鍵參數(shù)是共模抑制比，這個(gè)性能可以用來(lái)衡量差分增益與共模衰減之比。
在許多情況下，儀表放大器具有參考輸入引腳。在參考引腳上增加電壓會(huì)使輸出信號(hào)升高同等電壓。這樣就能簡(jiǎn)單地將儀表放大器的輸出調(diào)整到ADC所需的輸入電平，從而可以使用ADC的完整輸入范圍，同時(shí)提高分辨率。在具有高共模信號(hào)的情況下，另一優(yōu)勢(shì)是極為出色的共模抑制比和高精度。
然而，設(shè)計(jì)工程師在使用它們時(shí)，卻經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不當(dāng)使用的情形。具體來(lái)說(shuō)，盡管現(xiàn)代儀表放大器具有優(yōu)異的共模抑制CMR，但設(shè)計(jì)工程師必須限制總共模電壓及信號(hào)電壓，以避免放大器內(nèi)部輸入緩衝的飽和。然而，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常忽略此一要求。
其常見(jiàn)的應(yīng)用問(wèn)題多是由以下因素所引起的：以高阻抗源驅(qū)動(dòng)儀表放大器的基準(zhǔn)端；在增益很高的情況下，操作低供應(yīng)電壓的儀表放大器電路；儀表放大器輸入端與交流耦合，但卻沒(méi)有提供直流對(duì)地的返回路徑；使用不匹配的RC輸入耦合元件。
滿足不同需求的不同拓樸結(jié)構(gòu)
儀表放大器的內(nèi)部架構(gòu)各不相同，具體取決于儀表放大器的zui終應(yīng)用目標(biāo)和預(yù)定用途。每種架構(gòu)相對(duì)于其它架構(gòu)而言都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，傳統(tǒng)三運(yùn)放儀表放大器會(huì)限制共模電壓范圍，因此不適合接地傳感應(yīng)用。而且其共模抑制比(CMRR)受電阻器匹配要求限制。
另一方面，電流反饋拓樸結(jié)構(gòu)提供與電阻器未匹配無(wú)關(guān)的CMRR，它可以具備接地傳感功能，而無(wú)需增加可能會(huì)產(chǎn)生大量噪聲的電荷泵。結(jié)合了自動(dòng)歸零和斬波技術(shù)的電流反饋拓樸結(jié)構(gòu)，在需要進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域具有極多優(yōu)勢(shì)。
儀表放大器快速入門
儀表放大器是具有差分輸入和單端輸出的死循環(huán)增益電路區(qū)塊。儀表放大器一般還有一個(gè)基準(zhǔn)輸入端，以便讓使用者可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行上或下的位準(zhǔn)移位(level-shift)。使用者還可以一個(gè)或多個(gè)的內(nèi)部或外部電阻來(lái)設(shè)定增益。
儀表放大器與運(yùn)算放大器對(duì)比
對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，要從噪聲、嗡嗡聲或直流偏移電壓背景中提取出微弱的信號(hào)，CMR特性非常重要。運(yùn)算放大器和儀表放大器都具有某種CMR特性。但是，儀表放大器能阻止共模信號(hào)出現(xiàn)在放大器的輸出端。而運(yùn)算放大器雖然也有CMR，但共模電壓通常會(huì)以單一增益(unity gain)，隨著信號(hào)傳送到輸出端。
大多數(shù)儀表放大器采用3個(gè)運(yùn)算放大器排成兩級(jí)：一個(gè)由兩運(yùn)放組成的前置放大器，后面跟一個(gè)差分放大器。前置放大器提供高輸入阻抗、低噪聲和增益。差分放大器抑制共模噪聲，還能在需要時(shí)提供一定的附加增益。
從發(fā)明至今，儀表放大器經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，zui初是采用兩運(yùn)放和三運(yùn)放大器的傳統(tǒng)儀表放大器，或者是簡(jiǎn)單的差動(dòng)差分放大器(DDA)。它們具有不同的拓樸結(jié)構(gòu)，用于滿足來(lái)自各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛需求。
美國(guó)ADI 公司*個(gè)研制成功了單片集成儀表放大器。以AD620為例，值的校準(zhǔn)使用戶僅用一個(gè)電阻就能對(duì)增益進(jìn)行校準(zhǔn)，在G = 100 時(shí)準(zhǔn)確度為0.15 %。單片結(jié)構(gòu)和激光晶片修整技術(shù)使電路中的元件緊密匹配，并保證了該電路固有的高性能。
長(zhǎng)期以來(lái)，為儀表放大器供電的傳統(tǒng)方法是采用雙電源或雙極性電源，這具有允許正負(fù)輸入擺幅和輸出擺幅的明顯優(yōu)勢(shì)。隨著元器件技術(shù)的發(fā)展，單電源工作已經(jīng)成為現(xiàn)代儀表放大器一個(gè)越來(lái)越有用的特性?，F(xiàn)在許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是采用低電壓?jiǎn)坞娫垂╇姟?br />
在經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)之后，儀表放大器形成了多種特點(diǎn)，如：高共模抑制比、高輸入阻抗。、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差、充裕的帶寬、具有“檢測(cè)”端和“參考”端，這也是我們辨識(shí)儀表放大器的重要標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。
同時(shí)，隨著應(yīng)用和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中都使用低電壓對(duì)信號(hào)進(jìn)行了數(shù)字化處理，CMOS工藝在儀表放大器領(lǐng)域有了較大的發(fā)展。基于CMOS工藝的儀表放大器，具有同等雙極和JFET儀表放大器所*的優(yōu)點(diǎn)。
如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀表放大器正廣泛應(yīng)用于馬達(dá)控制、熱偶和橋式傳感器到電流傳感和醫(yī)療儀表應(yīng)用(如ECG和EEG)等各類不同的市場(chǎng)。
據(jù)Databeans統(tǒng)計(jì)，放大器市場(chǎng)在2008年已經(jīng)超過(guò)25億美元，而且市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以每年8%的速度增長(zhǎng)?？v觀半導(dǎo)體行業(yè)的信號(hào)鏈，現(xiàn)實(shí)世界中的溫度、壓力、濕度、速度、流量，聲音等模擬信號(hào)，要經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，其中包括各式各樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、各式各樣的數(shù)字信號(hào)處理器以及*電源治理芯片。其中，放大器基本處于信號(hào)鏈的zui前端，實(shí)施對(duì)模擬信號(hào)的處理。作為其中的一個(gè)重要分支，儀表放大器產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間十分廣闊！
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