仪表放大器及在智能化仪器中应用

1、仪表放大器及在智能化仪器中应用河南省平顶山工业职业技术学院 王岗岭 樊建文 韩建军摘 要：在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电路，放大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素，以及所选择的信号输入方式。针对这些问题进行了较详细的讨论。 关键词：仪表放大器 设置 应用仪表放大器具有的高精度、低漂移、低功耗、高共模仰制比、电源供电范围宽、体积小等优点，在数据采集系统、电桥、热电偶及传感器等高分辨率的智能化仪表放大电路中得到了广泛的应用。1. 仪表放大器的结构、电路原理及电气参数仪表放大器一般是集

2、成三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个不需要精密匹配的电阻，即可实现最高达万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差。而美国德州仪器公司推出的精密仪表放大器INA326/327等（INA326采用8脚MSOP封装，INA327采用10脚MSOP封装），它在传统的三片运放式的基础上作进一步改进，将电阻网络改变为四个镜像电流源电路，可将输出电压信号转换为电流信号并进行处理，不需要精密匹配的电阻，就可有效地抑制共模输入电压，共模抑制比可达114dB（典型值）。INA326/327仪表放大器具有高精度、低失调电压、高共模仰制比和较低温漂、线

3、性度好、工作频带宽等优点，其输入或输出接近于电源电压，因此能够提高输入和输出的动态范围，适合对各种微小信号进行放大。INA326的结构原理图见图1。电路原理：同相输入端VIN+与反相输入端VIN-可分别通过运算放大器A1、A2作用于R1，来自A1输出级的流过R1电流IR1和复制于A1的镜像电流IR1汇合后，进入A2，A2输出级输出2IR1，由于镜像电流作用将在脚5流出（或输入）电流为2IR1，因此，其电压增益为：Au=2R2/R1由于内部电源泵可分A1、A2及相关电源提供所需电压，且其值可超过电源正负限。因此，加在其两端的电压可达到-20mV+100mV。A3是电压跟随器，起缓冲输出作用，其输

4、入级亦由电源泵供给。INA326的主要电气参数如表所示。INA326的主要电气参数参 数典型值单 位增益公式（外接电阻设置增益）Au =2（R2/R1）增益范围0.110000V/V增益误差±0.08%线性误差±0.004% of FS增益温度系数±6ppm/输入失调电压±20V失调电压漂移±0.1V/输入偏置电流±0.2nA差分输入电阻/电容1010/2/pF共模输入电阻/电容1010/14/pF输入电压范围(V-)-0.02(V+)+0.1V安全输入电压范围（V-）-0.5(V+)+0.5V共模抑制比114dB频率响应宽度（-3d

5、B）1kHz输出短路电流±25mA容性负载驱动能力500pF工作环境温度范围-40125贮存温度范围-401502. 增益设置方法由内部结构可知，INA326是一个2级放大器，每级的增益分别由R1、R2设置，总增益Au=2R2/R1。外接电阻R1、R2除对增益起决定性作用外，也直接影响放大器的稳定性及温度漂移，在要求精度较高时，应尽量采用低温度系数的精密电阻。另外，连接R1、R2的布线及集成电路插座电阻也会产生增益误差，所以，在要求精度较高时，不能采用插座，要直接焊接，同时应尽量减少1脚与8脚的杂散电容，并将4脚与7脚用电容相连接。外接电阻在+5V单电源或±2.5V双电源两

6、种情况下有着不同的最佳配置。R1的最佳值可通过式R1=VIN（max）/12.5A来计算，但在使用中R1不应小于2k，否则会影响电路的稳定性。即总增益设置的条件为Au=2R2/R1，（R12K）3. 典型应用INA326的一种典型应用电路如图2所示。图中OPA551是电压差为60V运算放大器，可实现高达±27V的输出。其输出电压Vo可通过RF进行反馈，这样，增益为Au =RF/R1=100。由于INA326中内部电源泵的作用，其5脚的电压值可达VGND20mV，因此，无需在5脚端连接附加的负电源。在该电路中，IB引起的失调电压很微弱，为100pA×2k=0.2V。图3是应用

7、INA326设计的精密满幅度电压跟随器。当该电路的输入为高频信号时，应当在电路中接入电容C1，并取C1=100C2。该电路没有CMOS运算放大器常见的N/P输入级跨接效应，因此具有非常好的线性。4. 应用时注意的问题4.1 输入端偏流回路的设置一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器INA326输入偏置电流大约为±0.2nA。由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，

8、对差分信号放大不会产生太大影响。输入偏置电流是仪表放大器输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果电路中没有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围，使输入放大器饱和而失去放大功能。针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图4、5、6所示。其中4为差分信号源阻抗较高时常用的形式，图中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；图5为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；图6为对称结构常用的形式。从图4、5、6的三种结构可知，在输入通道设置偏置回路是通过在差

9、分输入端与地之间接适当电阻实现的，具体电阻值的大小根据实际情况而定。4.2 输入共模电压范围的设置仪表放大器对共模信号有较强的抑制作用，例如INA326，共模抑制比可高达114dB，但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。而所放大的差分信号，是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。图7是一个典型的惠斯通电桥应用电路，桥路供电电压为10V，桥臂电阻如图7中所示。根据其中的条件可以得到共模电压值为5V，而差模电压的大小为0.005V，经过仪表放大器差分运算后输出为对地的单端信号。其中共模电压由于仪表放大器的高共模抑制比而不能通过，放大的是两输入

10、端的差模电压。仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也可以是直流信号，但这是受一定条件限制的，并非任何情况下的共模信号通过时都有同样的抑制比，选择时应注意相应的应用范围。其一，输入共模电压的范围与供电电压有关，在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时，才有较理想的抑制比。一般仪表放大器的供电电压允许在很大的范围内变化，在一定的应用场合下，如果共模电压较大时，相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。如图7中共模电压为5V，则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上，否则不能将仪表放大器作为前置信号放大级。其主要原因是仪表放大器的前面一组放大器A1、A2容易饱和。其二，输入共模电压抑制能力与共模电压的频率相关，频率越高，抑制效果越差。其三，共模电压的抑制能力与增益大小相关，在低增益工作段，共模抑制能力较差；在1000左右的放大倍数，共模抑制能力较好。需要特别注意的是，有时当输入共模电压