仪表放大器及应用
图4
虽然分离差分放大电路已被广泛使用，但它还有以下主要缺陷：
●输入电阻等于Ｒ１，相对较小；
●输入电阻通常存在较大差异；
●电阻一定要非常精确地匹配才能得到可接受的共模抑制比；
●较高频率时输入阻抗的差异可使ＣＭＲ下降；
●信号源阻抗对ＣＭＲ影响较大。
３．２ 运放结构
ＭＡＸ４１９４－ＭＡＸ４１９７系列低功耗仪表放大器属于三运放拓扑，其拓扑结构如图４所示。它的输入级由两个运放组成，这两个运放可提供固定的差分增益和单位共模增益；输出级是常规的差分放大器，具有１１５ｄＢ的共模抑制比（Ｇ＝＋１０Ｖ／Ｖ）。ＭＡＸ４１９４的增益可由外部设定（＋１Ｖ／Ｖ～＋１０，０００Ｖ／Ｖ）；ＭＡＸ４１９５－ＭＡＸ４１９７则由内部设置增益，固定增益分别为：＋１Ｖ／Ｖ、＋１０Ｖ／Ｖ和＋１００Ｖ／Ｖ。放大器的共模电压输入范围是（ＶＥＥ＋０．２Ｖ）到（ＶＣＣ－１．１Ｖ）。理想情况下，仪表放大器只对作用在ＩＮ＋和ＩＮ－两个输入端的差分电压有响应，当两个输入端电压相同时，输出为ＶＲＥＦ。ＩＮ＋与ＩＮ－之间的差分电压将在增益设置电阻上产生相同的电压和相应电流（ＩＧ），该电流流过两个输入运放Ａ１和Ａ２的反馈电阻可产生的电压差为
ＶＯＵＴ２－ＶＯＵＴ１＝ＩＧ×(Ｒ１＋ＲＧ＋Ｒ１）
其中，ＶＯＵＴ１和ＶＯＵＴ２是Ａ１和Ａ２的输出电压，ＲＧ（内置或外接）是增益设置电阻，而Ｒ１是输入运放的反馈电阻。此时，ＩＧ将由下式决定：ＩＧ ＝(ＶＩＮ＋ － ＶＩＮ－）／ＲＧ。仪表放大器输出电压（ＶＯＵＴ）由下式表示：
ＶＯＵＴ＝(ＶＩＮ＋－ＶＩＮ－）×(２Ｒ１／ＲＧ＋１）
共模输入电压范围是电源电压和放大器输出电压的函数。
当电源为ＶＣＣ，ＲＥＦ端接ＶＣＣ／２时，可以得到最大的输出信号摆幅，此时所产生的输出电压的摆幅为±ＶＣＣ／２；若输出电压的摆幅没有达到最大值，则共模输入电压的范围还可相应增加。如果仪表放大器选择得不合理，共模输入电压范围可能会受到电源电压、增益和ＲＥＦ引脚电压的影响。其原因是各内部结点的电压会使放大器不再工作在线性区，而进入饱和区。图５是ＭＡＸ４１９４的典型共模输入电压范围与输出电压摆幅间的关系（单位增益，单电源（ＶＣＣ）为５Ｖ时，偏置参考电压ＶＲＥＦ为ＶＣＣ／２＝＋２．５Ｖ）。图中，Ａ点到Ｄ点分别对应于输入放大器的满量程输入电压范围ＶＥＥ＋０．２Ｖ 到ＶＣＣ－１．１Ｖ。其它点（Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ）则由输入放大器的输入电压范围减去产生相应输出所需要的差分输入幅度来决定。对于更高增益的配置，端点Ｂ、Ｃ、Ｅ和Ｆ上的共模电压范围还会增大，因为对于给定的输出电压，只需更小的差分输入电压即可。
增益设置电阻Ｒｇ是仪表放大器的关键部件，其温度系数对于放大器的总体性能有较大影响。内置Ｒｇ的仪表放大器具有较好的温度系数和温度一致性，易于设置增益，且输入阻抗较高，即便是在５０Ｈｚ～６０Ｈｚ的率下频仍有很好的共模抑制比ＣＭＲ。但是，它的Ｖｉｎ、ＣＭＶ、增益和ＶＲＥＦ之间具有一定的制约关系。实际上，运算放大器或仪表放大器的选择依赖于具体的应用，在具体应用中，共模输入电压、电源电压、增益、ＲＥＦ引脚电压和传感器阻抗必须综合考察。利用放大器的ＲＥＦ引脚可以对输出失调电压进行微调；而对于加在ＲＥＦ引脚上的微调电压，则必须确保有一个较低的源阻抗，因为ＲＥＦ引脚上的附加阻抗将使ＣＭＲ变低。
４ 典型应用
４．１ 高边监
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