儀表放大器應用中的相關問題探究

胡詩文

摘 要：儀表放大器是一種差分輸入和相對參考單端輸出的閉環增益組件，能夠進行差分輸出和相對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，因此，常常被應用為數據采集系統的前端放大器，但是，工作環境不同，對于儀表放大器的要求也存在差異。該文主要針對儀表放大器應用中的相關問題進行分析。

關鍵詞：儀表放大器 相關問題 分析

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0037-02

隨著電子技術水平的提升，儀表放大器得到了廣泛應用，筆者通過對儀表放大器的研究，根據儀表放大器的概念和特征，探討了儀表放大器與運算放大器之間的差異和儀表放大器的基本原理，最后詳細敘述了放大器的應用問題。

1 儀表放大器

儀表放大器是一種差分輸入和相對參考單端輸出的閉環增益組件，能夠進行差分輸出和相對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展已經能夠應用到多個領域，它將關鍵元件集成在放大器內，特殊的構造使它有著許多優秀的性能，尤其是在醫療器械、音響設備數據采集方面都有很好效果。儀表放大器的應用會受到多種因素的影響：第一，由于儀表放大器采用了三運放結構，在平衡輸入時，兩輸入運放差分輸入范圍增大，但是輸出級動態范圍不變，因此，是無法擴展其有效輸入范圍的；第二，一般情況下，放大器與被測信號之間不會設置公共端，要保證儀表放大器可以正常工作，離不開偏置電流路徑，如果沒有達到這一要求，兩端入端就會懸浮起來，致使輸入運放超過標準范圍，為了解決這一問題，需要設置好相關的偏置電流通路，這樣既可由偏置電阻來決定輸入阻抗；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，運放輸入范圍較小，共模抑制性也會受到影響。總之，要求儀表放大器同時具有寬輸入范圍和高輸入阻抗，并保持優秀的共模抑制性能，這在事實上是不可能的。

2 儀表放大器的特性

儀表放大器能夠實現低輸入偏置電流和低失調電流誤差，它擁有偏置電流輸入和輸出兩個端口，并且根據它的類型不同存在著一定差別。首先，偏置電流經過不平衡電阻時會出現一個失調誤差，而向儀表放大器中輸入失調電流誤差就是失配程度。其次，由于儀表放大器的工作環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生的噪音信號就絕對不能與電信號一同處理。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，相對得會產生得到的噪音。最后，輸入失調以及比例系數誤差等問題都能夠通過外部增加裝置進行修正，但是非線性是儀表放大器出廠之后就確定的，是無法經過任何方式改變的。低非線性誤差是在儀表放大器出廠時結構設計來保證的。非線性誤差的規定是滿度電壓或零電壓的情況下，高質量儀表放大器誤差小于等于0.01%。儀表放大器是由兩級差分放大器電路有機組成，差分輸入能夠放大系統的對差信號，對于共模輸入，可以起到相應跟隨效果，繼而提高共模抑制比，如果共模抑制比要求沒有變化，即可降低電阻精度匹配要求。依據儀表放大器的功能和特點，其一般應用于數據采集、信號放大、信號調節、醫療儀器和高檔音響設備等方面。

3 儀表放大器與運算放大器的差別

儀表放大器是能夠進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。運算放大器在這一方面與儀表放大器相同，輸出阻抗很低，運算放大器的閉環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，儀表放大器內部擁有一個反饋電阻網絡，能夠實現信號的隔離，對放大器兩個輸入端同時通入信號，增益可以有內部預先設定也可以有用戶連接增益電阻器自行設置，增益電阻器也是與信號輸入端沒有任何聯系的。

4 儀表放大器的技術原理

儀表放大器的功能是放大輸入信號的電壓差，達到一致輸入端共模信號的元件。所以儀表放大器的核心功能就是從傳感器或其它信號源內提取信號，共模抑止是指兩個輸入端電位相同時放大電位差。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指標。目前市面上質量合格的儀表放大器都能夠做到兩個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，會出現一定誤差，因為它一般是跟隨頻率的變化規律運行的，因此，無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，在輸出端呈現的電壓變化。常模增益是指兩輸入端通入不同的電壓時，輸出和輸入之間出現的電壓增益。

5 儀表放大器的應用

AD623是市面上最流行儀表放大器得型號，它具有價格低廉、輸出幅度能達到電源電壓的優點。它的特點是可以外接電阻設置增益，為用戶帶來了方便，具有性能優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，很容易實現最佳性能、低功耗等。它的出現快速占領了分立器件結構的儀表放大器的市場，以線性度優良、價格低廉。溫度穩定性高成為了儀表放大器的首選。

6 結語

隨著科技水平的提升，儀表放大器也應用到多個領域當中，儀表放大器的出現起源于對運算放大器的探索，并且青出于藍而勝于藍。儀表放大器以其出色的性能在醫療器械、高速信號調節等領域都有杰出表現。國外對于儀表放大器的研究已經開展多年，但是由于過去我國經濟發展緩慢，在這一領域也沒有深入研究。因此，需要我國政府對這一方面給予足夠重視，對于這一領域的企業進行政策扶持，加快國家在儀表放大器領域的發展，同時積極引進國外先進儀表放大器進行研究，吸取國外先進的儀表放大器制作經驗，爭取快速實現儀表放大器的自主生產，推動企業的發展，進而強化我國研發實力。

參考文獻

[1] 王三強，何為，石堅.新型腦電信號前置級放大電路設計[J].重慶大學學報：自然科學版，2006，29（6）：51-53.

[2] 李新偉，李斌，王高揚.基于非理想運放模型的共模抑制比的研究[J].工業控制計算機，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.微弱信號檢測的前置放大電路設計[J].微計算機信息，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.