單電源儀表放大器電路圖
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3.1.2 二運放儀表放大器的共模范圍
二運放儀表放大器的輸入共模范圍受編程增益的影響。圖3中,A1工作在閉環(huán)增益為1.1時,輸入端的任一共模電壓都被放大（即輸入共模電壓經(jīng)1.1倍放大后出現(xiàn)在A1的輸出端）。
現(xiàn)在討論儀表放大器可編程增益為1.1時的情況（R1=1kΩ,R2=10kΩ,R3=10kΩ,R4=1kΩ）。A1的閉環(huán)增益為11,因為共模電壓會被放大,所以輸入共模范圍受A1輸出擺動幅度的嚴格限制。在應用中,強制性使用低電壓引起的問題特別嚴重,這種情況下,運用滿幅度放大器會增加一些擺動范圍以緩解這個問題。
三運放儀表放大器
圖5是三運放儀表放大器的結構,是分離和集成儀表放大器最常選的結構。整個增益的傳輸函數(shù)很復雜,當R1=R2=R3=R4時,傳輸函數(shù)可以簡化為
（6）
R5和R6設置為相同值（通常在10～50kΩ）。簡單地調節(jié)RG的值,電路的整個增益可由單位值調至任意高的值。
3.2.1 三運放儀表放大器的共模增益
如所期望的,儀表放大器的共模增益的理論值為0。為計算共模增益,設定輸入端只有一個Vcm共模電壓（也即Vin+=Vin-=Vcm）。RG上沒有電壓降,A1,A2的輸出電壓也等于Vcm,設A1和A2理想匹配,因此第一個近似值即第一級共模增益等于單位值并獨立于編程增益。
假定運放A3是理想的,第二級共模增益由式（7）得到
代入式（1）,共模抑制比就變?yōu)槭剑?）
式中的分母比二運放儀表放大器時復雜得多,而正如式（4）所示,分母可用電阻的失配百分率來表示,即
在式（8）中,如果4個電阻都相等（或R1=R3,R2=R4）,其分母就會變?yōu)?,而這幾個電阻的任何失配都會使共模電壓的一部分出現(xiàn)在輸出端。與二運放儀表放大器相似：任何電阻間溫度漂移的失配都會降低CMRR。
3.2.2 三運放儀表放大器的交流CMRR
如果A1,A2很好的匹配（即相同的閉環(huán)帶寬）,CMRR就不會像二運放那樣迅速下降。對比一下圖2和圖4,三運放儀表放大器的CMRR在100Hz之前相對平坦,而二運放儀表放大器的CMRR在大約10Hz時就開始降低。
3.2.3 三運放儀表放大器的共模范圍 三運放儀表放大器的第一級共模增益為單位值,共模電壓原封不動的出現(xiàn)在圖5中A1,A2的輸出端,而差模輸入電壓（Vdiff）降落在增益電阻上,結果電流流過R5,R6,這意味著當輸入差模電壓增加時,A1的電壓將高于Vcm,A2的電壓將低于Vcm。因此,當增益和（或）輸入信號增加時,A1,A2的電壓范圍也會增加,最終被電源電壓的范圍所限制?？梢灾?共模電壓可以達到的范圍、差模輸入電壓、增益這三者之間是互相關聯(lián)的。例如,增加增益會減小共模范圍和輸入電壓范圍,同樣,增加共模電壓會限制差模輸入范圍并限制增益可能達到的最大值。如果輸入級運放的輸出擺動已知,那么就能很好地表示輸入范圍,共模范圍和增益之間的關系,以服務于特殊的三運放儀表放大器。 工業(yè)應用中運用低電源電壓時,可用的擺動范圍也越來越少。至于二運放儀表放大器,可以用滿幅度運放來解決這個問題,三運放儀表放大器中,因為過度的輸入電壓、共模電壓或增益會削減輸入級（A1,A2）的輸出電壓,所以滿幅度輸出級（A3）在這里根本起不了什么作用。 3.2.4 低共模應用中優(yōu)化的單電源三運放儀表放大器 圖6是AD623（低耗單電源滿幅度儀表放大器）的簡圖,沿用傳統(tǒng)的三運放儀表放大器結構,在用作輸入級運放之前,正反相輸入電壓通過一個PNP管,電壓上偏了0.6V。 要理解電平偏移的重要性,先要考慮儀表放大器工作的通常條件。圖7示出了AD623的一個典型應用,儀表放大器放大的信號來自一個J型熱電偶,儀表放大器連同A/D轉換器共同由+5V單電源供電。此應用中。所測溫度范圍從－200～+200℃,相應的熱電偶的電壓范圍為－7.890～10.777mV。 |
如通常一樣,熱電偶的一端接地,使偏置電流流入儀表放大器。因此,同相、反相輸入電壓中間的共模電壓非常接近地電平。實際上,從熱電偶而來的電壓開始變負時,有效共模電壓也變負。
在傳統(tǒng)的三運放儀表放大器中,當熱電偶電壓開始大于零時,輸入級的電壓擴展效果會導致輸入級的一個運放的輸出電壓變?yōu)榈?。圖6的電平偏置結構通過有效的在共模電壓上加0.6V,避免了這個問題,從而對地有更多的擺動范圍,并且使A1和A2滿幅度運放的輸出電壓處于線性區(qū)域,即使輸入電壓和共模電壓低于地電平。輸入電壓可以負到150mV,這由編程增益和共模電壓控制。
在此例中,儀表放大器的設置增益為91.9（RG=1.1kΩ）,基準腳的電壓設為2V,只要熱電偶電壓處在溫度為－200～+200℃間變化,儀表放大器的輸出電壓范圍就為1.274～2.990V（對地）,這個電壓擺動范圍很適合A/D轉換器的輸入電壓范圍（2V±1V）。
3.2.5 單電源二運放儀表放大器在低共模電壓中的應用
加一個Vbe電壓降使共模電壓升高的方法可應用于二運放儀表放大器。圖8是AD627的簡圖,它是一個集成二運放儀表放大器,運用特殊技術來獲得整個頻率范圍內的高CMRR。必須指出,對于三運放儀表放大器而言,必須注意補償內部節(jié)點電壓,避免信號飽和,這在單電源應用中格外嚴格。一般說來,最大增益由輸出有效信號的范圍決定（反相通道大于50mV,同相通道為100mV以內）。而在輸入共模電壓接近或等于零的單電源應用中,編程增益有一定限制。當輸入、輸出和基準引腳（REF）的電壓范圍由技術說明所規(guī)定時,這些引腳的電壓范圍是互相影響的。在圖8中,由含有共模分量Vcm的差模電壓Vdiff驅動,運放A1輸出端電壓是Vdiff、Vcm、Vref引腳電壓和編程增益的函數(shù)：
VA1=1.25（Vcm +0.5V）- 0.25Vref -Vdiff（25kΩ/RG－0.625）
也可用-IN和+IN（V－和V+）腳上的實際電壓來表示：
VA1=1.25（V－+0.5V）- 0.25Vref -（V＋ -V－）25kΩ/RG
A1的輸出電壓在反相通道為50mV以內,同相通道為200mV以內擺動,上述等式可用以驗證A1的電壓是否在此范圍內。從以上任何一個等式可以看到,當Vref作為AD627的輸出(A2)正偏置增加時,A1的輸
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