如何構(gòu)建儀表放大器
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時(shí)間：2008-08-08
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
如果不需要三運(yùn)放結(jié)構(gòu)如此高的性能，可使用兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它只需要兩個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻器，如圖5所示。由于很少有包含三個(gè)運(yùn)放的器件，因此三運(yùn)放結(jié)構(gòu)通常需要使用一個(gè)四運(yùn)放器件。而多余的一個(gè)運(yùn)放需要消耗更多的功率，所以兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)在能耗方面也會(huì)更低。此外，和三運(yùn)放結(jié)構(gòu)一樣，兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)電路也具有很高的輸入阻抗。但是兩運(yùn)放儀表放大器的性能要差一些，通過(guò)計(jì)算分析，這種結(jié)構(gòu)的共模抑制比對(duì)電阻器阻值變化的靈敏度比差分放大器結(jié)構(gòu)略高一些。最壞情況下，對(duì)于0.1%的電阻器匹配條件下的CMRR不是54 dB，而是50.5 dB。與三運(yùn)放儀表放大器不同的是這個(gè)CMRR數(shù)值不隨增益的增加而改善。由于兩個(gè)通路不平衡，同相通路信號(hào)的頻率響應(yīng)與反相通路信號(hào)不同。由于反相通路要通過(guò)兩級(jí)電路而不是一級(jí)電路，因此在反相通路中出現(xiàn)了一個(gè)相位延遲，并且壓擺率和帶寬特性也會(huì)不同，其噪聲性能也會(huì)差一些。
1）由于第一級(jí)的輸出電壓即放大了的輸入電壓，其中包括共模電壓，因此需要注意第一級(jí)的輸出電壓；
2）由于兩運(yùn)放儀表放大器的CMRR對(duì)于電阻的匹配情況極為敏感，因此需要注意電阻器的匹配；
3）高頻性能。因此，對(duì)于這三種結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)：差動(dòng)放大器 這種放大器很好，也很簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻器。然而，它的輸入阻抗與所選電阻器的數(shù)值有關(guān)，而且噪聲和CMRR的性能也較差。
2）三運(yùn)放儀表放大器 第一級(jí)電路提供高輸入阻抗。當(dāng)我們?cè)诘谝患?jí)電路中引入增益時(shí)，還提高了噪聲和CMRR的性能。
兩運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器 這種電路結(jié)構(gòu)比三運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得多，并且也具有很好的輸入阻抗特性。然而，其噪聲和CMRR性能不能隨著增益的增加而改善。
實(shí)例分析：混合設(shè)計(jì)
如果已經(jīng)找到了基本符合要求的儀表放大器，但某一指標(biāo)無(wú)法滿足需求，此時(shí)可以利用現(xiàn)有儀表放大器加上輔助電路達(dá)到目的。
噪聲是儀表放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，現(xiàn)在很多運(yùn)放都具有非常低的噪聲系數(shù)，如果要求更低的噪聲，則可以采用分立設(shè)計(jì)方法構(gòu)建儀表放大器。然而這需要花費(fèi)很大的精力來(lái)設(shè)計(jì)、布局和調(diào)試，而得到的共模抑制比又低于單芯片儀表放大器。圖6所示的混合設(shè)計(jì)節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板空間，同時(shí)得到了與單芯片儀表放大器同樣好的共模抑制性能。
這里所示的混合設(shè)計(jì)分為三級(jí)：運(yùn)放組成的前置放大器，后面是儀表放大器。每一級(jí)的噪聲都比前一級(jí)大，然而，由于為每一級(jí)都分配了增益，所以各級(jí)對(duì)系統(tǒng)最后的噪聲沒(méi)什么影響。如果用一個(gè)2.61 K的電阻將AD8221的增益設(shè)定為20，也可以將所有的增益都放在前置放大級(jí)，而使AD8221的增益為1。而AD8599的增益帶寬積為10MHz。如果將總的增益都放在第一級(jí)，那么其帶寬將會(huì)被限制在20 kHz。在兩個(gè)元件之間分配增益，得到總帶寬大約為300 kHz。
評(píng)論