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仪表放大器及应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

1 概述

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(范文先生网www.fwsir.com收集整理)(运算放大器)基本相同,它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件,其传输函数主要由反馈网络决定;而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号,因而具有很高的共模抑制比(CMR)。它们通常不需要外部反馈网络。

用分离元件构建仪表放大器(IA)需要花费很多的时间和精力,而采用集成仪表放大器(IA)或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。为了更好的理解仪表放大器(IA),了解共模抑制比(CMR)的重要性,这里以图1所示的惠斯通电桥变送器来进行说明,图1中,R1=R2=R3=R4=5kΩ,激励电压(Vex)为10V。这样,在空载条件下,对“电桥”进行计算可得:

V1=Vex(R2/(R2+R1)),V1=5V

V2=Vex(R3/(R3+R4)),V2=5V

所以:V=V1-V2=5V-5V=0V

变送器输出就是电桥两个输出端的电压差(ΔV)。假定有某个激励加在电桥的4个活动臂上,并使得R1和R4的值有所增加,同时R2和R3的值有所减少;此时若取:R1=R4=5001Ω,R2=R3=4999Ω,Vex=10V,那么可得:V1=5.001V V2=4.999V,实际上,人们所关心的信号是:仪表放大器及应用

ΔV=V1-V2=2mV。因此,通过对共模电压(CMV)进行计算可知:即便电桥不平衡,共模电压(CMV)仍然等于(V1+V2,/2=5V。理想情况下,此电路的输出是:Vo=ΔV· Gain。

  上述计算表明,在有大的共模信号时,测量一个微弱的电压信号比较困难;而ΔV(以mV为单位)则可通过测量两个较大的电压信号V2与V1来获得,这两个电压均可在伏特级。

2 误差

早期比例计量是用检流计实现的,它(不像IA)不受共模电压的困扰。图1仅是示意图没有包括误差源。实际应用系统的主要误差包括CMR、PSR、Vos、Ib和Ios(见图2)。共模抑制(CMR)是指由于共模电压的存在而引起的放大器的输入失调电压的偏差,CMR定义为CMR=20logCMV/ΔVos。在图2所示的惠斯通电桥中,若要使误差小于差分信号的1%,其CMR应为:

  CMV=5VΔV=2mV,则Vos=ΔV×1%=0.02mV

CMR=20logCMV/ΔVos=108dB。

而要得到一个小于0.1%的误差,仪表放大器及应用则需要128dB的CMR。利用分离电路并进行严格调整可以获得100dB或更高的共模抑制比(CMR)。而要达到如此高的稳定性,还须采用线绕电阻,但线绕电阻的等效电感会导致CMR的频率特性退化。电源抑制(PSR)是指由于电源电压的变化而引起的放大器输入失调电压的偏差,PSR的定义为:PSR=20logΔVos/ΔVsupply。而Vos、ΔVos/Δtemp、Ib和Ios误差的处理方法与传统运算放大器相同,但必须考虑各种条件下的误差:包括温度范围、源电阻、电源调节、共模输入电压、增益、Vos、ΔVos、Ib和 Ios。最差情形应该参考数据手册中的最小值或最大值,有些情况下,也可以使用典型值,因为在同一时刻不可能所有的参数都处于它们的极限值。

3 仪表放大器的结构

3.1 差分放大结构

MAX4198和MAX4199是精密、低功耗差分放大器,增益由工厂预置(见图3)。MAX4198具有+1V/V的增益,MAX4199具有+10V/V的增益。虽然电阻器件精确匹配,但其绝对值的变化范围是±25%。对于MAX4198,同相输入阻抗典型值是50kΩ,反相输入阻抗典型值是25kΩ。对于MAX4199,同相输入阻抗典型值是275kΩ, 反相输入阻抗典型值是25kΩ。内部运算放大器的共模输入电压范围为VEE~(Vcc-1.1V)。内部运放的输入不具备满摆幅特性,但MAX4198的

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