單電源儀表放大器電路圖
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3.1.2 二運(yùn)放儀表放大器的共模范圍
二運(yùn)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(shí),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(shí)的情況（R1=1kΩ,R2=10kΩ,R3=10kΩ,R4=1kΩ）。A1的閉環(huán)增益為11,因?yàn)楣材ｋ妷簳?huì)被放大,所以輸入共模范圍受A1輸出擺動(dòng)幅度的嚴(yán)格限制。在應(yīng)用中,強(qiáng)制性使用低電壓引起的問(wèn)題特別嚴(yán)重,這種情況下,運(yùn)用滿幅度放大器會(huì)增加一些擺動(dòng)范圍以緩解這個(gè)問(wèn)題。
三運(yùn)放儀表放大器
圖5是三運(yùn)放儀表放大器的結(jié)構(gòu),是分離和集成儀表放大器最常選的結(jié)構(gòu)。整個(gè)增益的傳輸函數(shù)很復(fù)雜,當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí),傳輸函數(shù)可以簡(jiǎn)化為
（6）
R5和R6設(shè)置為相同值（通常在10～50kΩ）。簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)RG的值,電路的整個(gè)增益可由單位值調(diào)至任意高的值。
3.2.1 三運(yùn)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(jì)算共模增益,設(shè)定輸入端只有一個(gè)Vcm共模電壓（也即Vin+=Vin-=Vcm）。RG上沒(méi)有電壓降,A1,A2的輸出電壓也等于Vcm,設(shè)A1和A2理想匹配,因此第一個(gè)近似值即第一級(jí)共模增益等于單位值并獨(dú)立于編程增益。
假定運(yùn)放A3是理想的,第二級(jí)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(yùn)放儀表放大器時(shí)復(fù)雜得多,而正如式（4）所示,分母可用電阻的失配百分率來(lái)表示,即
在式（8）中,如果4個(gè)電阻都相等（或R1=R3,R2=R4）,其分母就會(huì)變?yōu)?,而這幾個(gè)電阻的任何失配都會(huì)使共模電壓的一部分出現(xiàn)在輸出端。與二運(yùn)放儀表放大器相似：任何電阻間溫度漂移的失配都會(huì)降低CMRR。
3.2.2 三運(yùn)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(huì)像二運(yùn)放那樣迅速下降。對(duì)比一下圖2和圖4,三運(yùn)放儀表放大器的CMRR在100Hz之前相對(duì)平坦,而二運(yùn)放儀表放大器的CMRR在大約10Hz時(shí)就開始降低。
3.2.3 三運(yùn)放儀表放大器的共模范圍 三運(yùn)放儀表放大器的第一級(jí)共模增益為單位值,共模電壓原封不動(dòng)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(jié)果電流流過(guò)R5,R6,這意味著當(dāng)輸入差模電壓增加時(shí),A1的電壓將高于Vcm,A2的電壓將低于Vcm。因此,當(dāng)增益和（或）輸入信號(hào)增加時(shí),A1,A2的電壓范圍也會(huì)增加,最終被電源電壓的范圍所限制。可以知道,共模電壓可以達(dá)到的范圍、差模輸入電壓、增益這三者之間是互相關(guān)聯(lián)的。例如,增加增益會(huì)減小共模范圍和輸入電壓范圍,同樣,增加共模電壓會(huì)限制差模輸入范圍并限制增益可能達(dá)到的最大值。如果輸入級(jí)運(yùn)放的輸出擺動(dòng)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(guān)系,以服務(wù)于特殊的三運(yùn)放儀表放大器。 工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)用低電源電壓時(shí),可用的擺動(dòng)范圍也越來(lái)越少。至于二運(yùn)放儀表放大器,可以用滿幅度運(yùn)放來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,三運(yùn)放儀表放大器中,因?yàn)檫^(guò)度的輸入電壓、共模電壓或增益會(huì)削減輸入級(jí)（A1,A2）的輸出電壓,所以滿幅度輸出級(jí)（A3）在這里根本起不了什么作用。 3.2.4 低共模應(yīng)用中優(yōu)化的單電源三運(yùn)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(jiǎn)圖,沿用傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu),在用作輸入級(jí)運(yùn)放之前,正反相輸入電壓通過(guò)一個(gè)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(gè)典型應(yīng)用,儀表放大器放大的信號(hào)來(lái)自一個(gè)J型熱電偶,儀表放大器連同A/D轉(zhuǎn)換器共同由+5V單電源供電。此應(yīng)用中。所測(cè)溫度范圍從－200～+200℃,相應(yīng)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(shí)際上,從熱電偶而來(lái)的電壓開始變負(fù)時(shí),有效共模電壓也變負(fù)。
在傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器中,當(dāng)熱電偶電壓開始大于零時(shí),輸入級(jí)的電壓擴(kuò)展效果會(huì)導(dǎo)致輸入級(jí)的一個(gè)運(yùn)放的輸出電壓變?yōu)榈亍D6的電平偏置結(jié)構(gòu)通過(guò)有效的在共模電壓上加0.6V,避免了這個(gè)問(wèn)題,從而對(duì)地有更多的擺動(dòng)范圍,并且使A1和A2滿幅度運(yùn)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(fù)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(shè)置增益為91.9（RG=1.1kΩ）,基準(zhǔn)腳的電壓設(shè)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(duì)地）,這個(gè)電壓擺動(dòng)范圍很適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍（2V±1V）。
3.2.5 單電源二運(yùn)放儀表放大器在低共模電壓中的應(yīng)用
加一個(gè)Vbe電壓降使共模電壓升高的方法可應(yīng)用于二運(yùn)放儀表放大器。圖8是AD627的簡(jiǎn)圖,它是一個(gè)集成二運(yùn)放儀表放大器,運(yùn)用特殊技術(shù)來(lái)獲得整個(gè)頻率范圍內(nèi)的高CMRR。必須指出,對(duì)于三運(yùn)放儀表放大器而言,必須注意補(bǔ)償內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓,避免信號(hào)飽和,這在單電源應(yīng)用中格外嚴(yán)格。一般說(shuō)來(lái),最大增益由輸出有效信號(hào)的范圍決定（反相通道大于50mV,同相通道為100mV以內(nèi)）。而在輸入共模電壓接近或等于零的單電源應(yīng)用中,編程增益有一定限制。當(dāng)輸入、輸出和基準(zhǔn)引腳（REF）的電壓范圍由技術(shù)說(shuō)明所規(guī)定時(shí),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(qū)動(dòng),運(yùn)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(shí)際電壓來(lái)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(nèi),同相通道為200mV以內(nèi)擺動(dòng),上述等式可用以驗(yàn)證A1的電壓是否在此范圍內(nèi)。從以上任何一個(gè)等式可以看到,當(dāng)Vref作為AD627的輸出(A2)正偏置增加時(shí),A1的輸
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