作者：Microchip Technology Inc.模擬和接口產品部 首席產品營銷工程師 儀表放大器這一術語經常被誤用，它指的是器件的應用，而非器件的架構。在過去，任何被認為精準（即，實現某種輸入失調校正）的放大器都被視為“儀表放大器”，這是因為它被設計為用于測量系統。儀表放大器（即 INA）與運算放大器（運放）相關，因為二者基于相同的???本構件。但 INA 是專用器件，專為特殊功能設計，并非一個基本構件。就這一點而言，儀表放大器不是運放，因為它們的用途不同。 就用途而言，INA 與運放之間最顯著的區別或許是前者缺少反饋回路。運放可配置為執行各種功能，包括反相增益、同相增益、電壓跟隨器、積分器、低通濾波器和高通濾波器等。在所有情況下，用戶都會提供從運放的輸出到輸入的反饋回路，此反饋回路決定放大器電路的功能。這種靈活性使運放得以廣泛用于各種應用。另一方面，INA 的反饋位于內部，因此沒有到輸入引腳的外部反饋。INA 的配置限制為 1 個或 2 個外部電阻，也可能限制為一個可編程寄存器，用于設置放大器的增益。 INA 專為差分增益和共模抑制功能而設計和使用。儀表放大器將放大反相輸入和同相輸入間的差值，同時抑制這兩個輸入的任何共用信號，從而使 INA 的輸出上不存在任何共模成分。增益（反相或同相）配置的運放將以設定的閉環增益來放大輸入信號，但輸出上將一直存在共模信號。所關注信號與共模信號間的增益差會導致共模成分（以差分信號的百分比表示）減少，但運放的輸出上仍存在共模成分，這將限制輸出的動態范圍。如上所述，INA 用于在存在大量共模成分時提取小信號，但共模成分的形式可能多種多樣。當使用采用惠斯通電橋配置（我們將稍后探討）的傳感器時，存在由兩個輸入共用的較大直流電壓。但是，干擾信號可具有多種形式；一個常見來源是來自電源線的 50 Hz或 60 Hz 干擾，更不用說諧波了。這種時變誤差源通常還會隨頻率發生明顯波動，從而使得在儀表放大器的輸出端進行補償變得極其困難。由于存在這些變化，因此不僅要在直流下，還要在各種頻率下實現共模抑制。 差分放大器 人們的第一個問題可能是：“是否可通過簡單的運放構建儀表放大器？”我可以馬上回答你：“是的，可以”。但始終要做出權衡！人們首先想到的可能是簡單的差分放大器電路（圖 1），有時稱為減法器。 圖 1：差分放大器電路 這是一個非常簡單的電路，可以提供差分增益并具有一定的共模抑制能力，這正是 INA的本意所在。對于上文提到的權衡，此電路中有兩處。首先，我們來看一下輸入阻抗。輸入阻抗由電阻的值決定，其相對較低，大小約為 100 k?。其次，輸入阻抗不匹配，這意味著流經每個管腳的電流不同，從而導致共模抑制能力受到影響。這一簡單電路的另一個缺點是需要電阻匹配。此電路的共模抑制比主要由電阻對內部的匹配程度決定，而非由運放本身決定。只要這些電阻對存在任何不匹配，都會降低共模抑制比。此差分放大器的共模抑制比可按如下公式計算： 如本例所示，可通過該簡單電路實現的性能極為有限。即使在手動進行電阻匹配時，也很難實現 66 dB 以上的共模抑制比。此外，這并未考慮因溫度所致的波動，不同電阻在溫度系數上的任何差異都將進一步增大不匹配率，從而導致更差的共模抑制比。考慮到所有這些因素和限制，單片差分放大器通常是性能相對較高的應用的最佳解決方案。從技術上說，之前討論的差分放大器電路不是儀表放大器，但對于某些需要高速和/或高共模電壓的應用十分有用。對于高精度應用而言，真正的儀表放大器通常才是最佳選擇。可利用兩種常見的電路來構建儀表放大器，一種電路基于兩個放大器，另一種基于三個放大器。下面將詳細討論這兩種電路。請注意，這些基本電路可利用標準運放來構建，但也是當今提供的許多單片儀表放大器中使用的基本電路概念。 雙運放 INA 圖 2：雙運放儀表放大器電路 圖 2 給出了基于兩個放大器的常見儀表放大器電路。在該電路中，總體增益通過一個標注為“RG”的電阻來設置，如此可得： 之前討論的差分放大器電路的限制之一是較低的輸入阻抗。從圖 2 中可以看出，雙運放INA 電路不存在此問題，因為兩個差分輸入信號直接饋入放大器的輸入引腳，其阻抗通常為幾百萬歐姆。但是，由于輸入信號路徑不同，各差分輸入信號的延時也不同，這就導致不同頻率時的共模抑制比（儀表放大器的關鍵參數）較差。與差分放大器電路類似，直流下的共模抑制比同樣受電阻匹配率限制。 相對于分立式解決方案，基于這種雙運放架構的單片 INA 從本質上來說將具有更好的電阻匹配和溫度跟蹤性能，因為基于硅的電阻可通過微調來提供大約 0.01%的匹配率。但雙運放 INA 架構仍有一些明確的限制，不改變電路架構的情況下無法克服這些限制。 三運放 INA 第二個常見的 INA 電路基于三個運算放大器，如圖 3 所示。可以發現，此電路的后半部分與之前討論的差分放大器完全相同。在電路的前端添加兩個運算放大器緩沖器可提供較高且匹配良好的阻抗源。這有助于緩解與簡單差分電路有關的主要問題之一。末端的差分放大器可以抑制共模成分。 圖 3：傳統的三運放儀表電路 在該配置中，電路的增益通過標注為 RG 的電阻的值來設置。現在看一下輸入級，輸入級包含兩個運算放大器，無論前兩個放大器的差分增益（由 RG 設定）如何，所有共模信號均以單位增益為系數進行放大。因此，無論增益如何，此電路均可提供較寬的共模范圍（受前兩個放大器的裕量限制）。與之前討論的雙運放 INA 相比，這是一大優勢。差分放大器隨后會消除任何共模成分。與之前討論過的架構類似，共模抑制性能取決于電阻匹配率，如下所示： 由于共模成分始終伴隨單位增益這一事實，三運放儀表放大器的共模抑制比將隨差分增益的大小成比例增大。 許多單片儀表放大器均基于這一電路概念。單片解決方案提供完美匹配的放大器，并且能夠使用微調電阻，從而實現優秀的共模抑制性能和較高的增益精度。近年來，單片儀表放大器對這一基本架構進行了額外的改進。例如，電流模式拓撲無需高精度電阻匹配便可實現高共模抑制比。在任何情況下，使用運算放大器和分立式元件的分立式解決方案通常都會提高成本并降低性能。 INA 和運放的參數 如前文所述，運算放大器和儀表放大器是相關的，并且已闡明運放可用于構建 INA。由于這種相似性，有一些參數通用于運算放大器和儀表放大器。不過，由于 INA 的特定功能，也存在一些 INA 特有的參數。在測量應用中，運放和 INA 之間通用的兩個重要參數是輸入偏置電流和輸入失調電壓/失調電壓漂移。 輸入偏置電流是流入放大器輸入、使輸入晶體管偏置所需的電流量。此電流的數量級高至數 μA、低至數 pA，主要取決于放大器輸入電路的架構。當高阻抗傳感器與放大器的輸入相連時，該參數極為重要。當偏置電流流經高阻抗時，阻抗兩端會產生壓降，從而導致電壓誤差。無論電路包含運算放大器還是儀表放大器，偏置電流均在電路的整個誤差預算中起到關鍵作用。 運算放大器和儀表放大器通用的另一個重要放大器參數是輸入失調電壓。顧名思義，此參數反映了放大器反相輸入和同相輸入間的電壓差。該失調電壓取決于放大器的拓撲，其數量級為數微伏至數毫伏。與所有電氣元件相似，放大器的行為隨溫度變化。對于放大器的失調電壓更是如此。失調電壓是誤差的來源，由于失調隨溫度漂移，因此該誤差也與溫度相關。即使高精度放大器也將受溫度漂移的影響。可通過選擇低漂移放大器（例如，具有零漂移拓撲的放大器）或者通過執行周期性系統校準來校準失調和漂移的方式最大程度減少該誤差源。 由于儀表放大器的特殊性質，存在一些在標準運算放大器數據手冊中通常無法找到的附加參數，包括增益誤差和非線性參數。增益誤差通常指定為最大百分比，表示與特定放大器的理想增益的最大偏差。電阻網絡中的電阻值變化和溫度梯度均可導致增益誤差。非線性參數還說明了放大器的增益特性。將輸出與輸入進行比較時，該參數用于定義與理想的直線傳遞函數的最大偏差。例如，如果儀表放大器的增益配置為 10，則 100 mV的直流輸入應產生 1V 輸出。如果輸入高達 500 mV，則輸出應為 5V。這兩點表示放大器的直線輸入與輸出傳遞函數。與該直線傳遞函數的任何偏差都將通過非線性參數指出。 應用示例：惠斯通電橋 如前文所述，儀表放大器旨在提供差分增益及有效抑制共模信號。這些特性使得 INA 非常適合采用經典惠斯通電橋配置的傳感器（例如應變儀）。應變儀應用的惠斯通電橋包含四個元件，這些元件呈菱形排列，菱形的每條邊均包含一個阻性元件（應變儀或固定電阻）。隨后會在電橋上施加一個激勵電壓，并測量電橋中間部分兩側的輸出電壓。四分之一電橋僅包含一個可變電阻元件，即應變儀。半橋有兩個可變電阻元件，全橋有全部四個可變電阻元件（這種情況下為應變儀）。采用多個應變儀的優勢是能夠提高靈敏度。在其他所有條件一樣的情況下，半橋配置的靈敏度將為四分之一電橋的兩倍，而全橋的靈敏度為四分之一電橋的四倍。 圖 4：使用惠斯通電橋的儀表放大器 在本示例中，惠斯通電橋由直流源激勵。假設 VDD 設置為 5V，這會在電橋的中心分接處產生約 2.5V 的直流共模電壓。施加到應變儀上的力將導致其各自的電阻發生變化，從而使中心分接處產生較小的電壓差。與共模電壓相比，該電壓變化非常小，通常為10 mV 左右，因此需要對這一微小電壓差進行放大。儀表放大器非常適合此任務，其不但能夠提供所需的放大系數，還能夠抑制相對較高的共模信號（以及兩個輸入信號共用的任何附加噪聲）。請記住，配置為簡單應變儀的運算放大器仍會將共模信號（單位增益）傳遞至輸出，從而縮小輸出信號的動態范圍。 結論 在系統設計領域，“儀表”這一術語可表示多種含義。在過去，此術語一直用于描述應用，通常是正被測量或記錄的物理現象。因此，適合在此類應用中使用的任何運算放大器都稱為“儀表放大器”。令人困惑的事實是，實際的儀表放大器可利用運算放大器來構建。 實際上，運算放大器和儀表放大器是完全不同的器件，二者用于執行不同的功能。可將儀表放大器看作專用放大器，它專用于差分增益和共模抑制功能。正如在本文中所見，可以構建實現傳統運算放大器的電路來執行上述相同的功能。但是，在大多數情況下，單片儀表放大器將提供高很多的性能和可靠性。 (mbbeetchina)