儀用放大器的設計和應用

一、儀用放大器的介紹：
     儀用放大器與很多放大電路一樣，都是用來放大信號的用的，但儀用放大電路的特點是，它所測量的信號通常都是在雜訊環境下的微小信號。而雜訊通常都是公共模雜訊，所以在電路設計要求上，電路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比將信號從雜訊中分離出來。因此好的儀用放大器測量的信號能達到很高的精度，在醫用設備、數據採集、檢測和控制電子設備等方面都得到了廣泛的應用。例：
 
 
    在這些應用中，信號源的輸出阻抗常常達幾kΩ或更大，因此，儀錶放大器的輸入阻抗非常大——通常達數GΩ，它工作在DC到約1 MHz之間。在更高頻率處，輸入容抗的問題比輸入阻抗更大。高速應用通常採用差分放大器，差分放大器速度更快，但輸入阻抗要低。

二、儀用放大器的基本電路：
    大多數儀用放大器採用3個運算放大器排成兩級：一個由兩運放組成的前置放大器，後面跟一個差分放大器。前置放大器提供高輸入阻抗、低雜訊和增益。差分放大器抑制共模雜訊，還能在需要時提供一定的附加增益。如下圖：
  
三運放方案是儀錶放大器採用的惟一結構嗎？
    可以採用具有兩個運放的較少元器件的結構替代，但有兩個缺點(圖 1b)。首先，不對稱的結構使CMRR較低，特別是高頻時。其次，可用於第一級的增益量有限。輸出級誤差則反饋回輸入端，導致相對入的雜訊和補償誤差更大。
 
也有單運放組成的儀用放大器，在最基本的拓撲結構中，一個儀用放大器可由一個單一的運算放大器，見附錄.

三、儀用放大器的信號放大原理：
 
   現所設計的儀用放大器是三運放結構，如上圖。它是由運放A1，A2按通向輸入接法組成第一級查分放大電路，運放A3組成第二級差分放大電路。在第一級電路中，Vi1,Vi2分別加到A1和A2的同向端，Rg和R5、R6組成的反饋網路，引入了負反饋。由A1、A2虛短可得
Vi1=V2；Vi2=V3；                                    3.1
又由A1、A2虛斷可得
                                      3.2
又由A3虛斷可得
    ；整理得                        3.3                   
      ；整理得                      3.4
由A3虛短可得 
 V5=V6；                                             3.5
則由3.3式、3.4式和3.5式可得
  
 整理后可得
                      3.6
在上式中，如果我們選取電阻滿足  的關係，則輸出電壓可化簡為
                                               3.7
根據式3.2和3.7我們可以得到
                               3.8
而我們為了是電路對稱，提高儀用放大器性能，我們選取電阻應滿足R5=R6的關係，且V_REF通常接地，當我們對儀用放大器進行電路調零時，我們才會將V_REF賦予一定電壓（這在後面進行電路調零時會具體講到），最終我們會得到輸出電壓的關係式為
                                            3.9
電壓增益則為
                                            3.10
    從該式中我們可直觀的看到，我們可以根據選取R2/R1 和R5/Rg 電阻的比例關係，來達到不同的信號放大比例要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設計最重要的環節之一。很多儀用放大器晶元，考慮到電路的穩定和安全，一般都固定R1~R6的阻值，只將Rg設置成可調（在後面會有相應說明）。
    在前面我們提到過儀用放大器有很高的共模增益，現在我們根據下面的例子來說明其對共模的抑制作用。
  
 根據上面的圖片可知在輸入端
 
 根據圖所示，最後得 Vo=G•V_D
 再此Vcm 即為共模信號，而V_D 即為差摸信號，而雜訊大多都是共模信號，經過該電路據可以被抑制而濾出我們所要的信號。