儀表放大器的正確使用方法

1、儀表放大器的正確使用方法1、將現(xiàn)實(shí)世界的訊號(hào)連到儀表放大器時(shí)所應(yīng)避免的一些常見應(yīng)用問題儀表放大器(instrumentation amplifier被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)截取。然而,設(shè)計(jì)工程師在使用它們時(shí),卻經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不當(dāng)使用的情形。具體來說,盡管現(xiàn)代儀表放大器具有優(yōu)異的共模抑制(common-mode rejection,CMR,但設(shè)計(jì)工程師必須限制總共模電壓及信號(hào)電壓,以避免放大器內(nèi)部輸入緩沖的飽和。不幸的是,設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常忽略此一要求。其它常見的應(yīng)用問題則是由以下因素所引起的,包括以高阻抗源驅(qū)動(dòng)儀表放大器的基準(zhǔn)端;在增益很高的情況下來操作低供應(yīng)電壓的儀表放大器電路;儀表放大器輸入

2、端與交流耦合,但卻沒有提供直流對地的返回路徑;以及使用不匹配的 RC 輸入耦合組件。2、儀表放大器快速入門儀表放大器是具有差分輸入和單端輸出的死循環(huán)增益電路區(qū)塊。儀表放大器一般還有一個(gè)基準(zhǔn)輸入端,以便讓使用者可以對輸出電壓進(jìn)行上或下的位準(zhǔn)移位(level-shift。使用者還可以一個(gè)或多個(gè)的內(nèi)部或外部電阻來設(shè)定增益。 圖 1 是一個(gè)橋式前置放大器(bridge-preamplifier電路,這是一種典型的儀表放大器應(yīng)用電路。當(dāng)檢測到訊號(hào)時(shí),該橋式電阻(bridge-resistor值即改變,使得橋的平衡被破壞,而引起它的差分電壓改變。此一信號(hào)輸出即是差分電壓,它可以直接連接到儀表放大器的輸入端

3、。另外,在零信號(hào)(zero-signal情況下,在兩條線路上也都會(huì)出現(xiàn)恒定的直流電壓。在這兩條輸入線路上的直流電壓是相同的,或是共模的。正常情況下,儀表放大器會(huì)抑制共模直流電壓,或同時(shí)出現(xiàn)在兩根在線的任何電壓,如噪聲和嗡嗡聲(hum,而放大兩線間電壓差距的差分訊號(hào)電壓。3、CMR:運(yùn)算放大器與儀表放大器的對比對許多應(yīng)用來說,要從噪聲、嗡嗡聲或直流偏移電壓背景中提取出微弱的信號(hào),CMR 特性非常重要。運(yùn)算放大器和儀表放大器都具有某種 CMR 特性。但是,儀表放大器能阻止共模信號(hào)出現(xiàn)在放大器的輸出端。而運(yùn)算放大器雖然也有 CMR,但共模電壓通常會(huì)以單一增益(unity gain,隨著信號(hào)傳送到輸出

4、端。 圖 2 是一個(gè)連接到輸入源(橋式傳感器的運(yùn)算放大器。該橋輸出(bridge output騎乘在一共模直流電壓之上。由于運(yùn)算放大器的輸出端與結(jié)合點(diǎn)之間有外接的回饋電路,+ 輸入端(+ input的電壓與 輸入端( input的相同。因此,運(yùn)算放大器在理想情況下,其輸入端為 0V。于是,對于 0V 的差分輸入電壓,運(yùn)算放大器的輸出電壓必定為 VCM。在實(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)算放大器的死循環(huán)增益可以放大訊號(hào),而共模電壓只接收單一增益。這種增益上的差別降低了共模電壓在信號(hào)電壓中所占百分比。但是,共模電壓還是出現(xiàn)在輸出端,而由于它的存在,縮小了放大器可用的輸出擺幅。基于許多理由,任何出現(xiàn)在運(yùn)算放大器輸出端

5、的共模直流電壓或交流信號(hào)都極不受歡迎。 圖 3 是一個(gè)常用的三運(yùn)算放大器儀表放大器電路?，F(xiàn)今如 Analog Devices 的 AD8221這樣的儀表放大器 IC,一般也包括所有這些器件。由于采用運(yùn)算放大器,儀表放大器電路的輸入緩沖級(jí) A1 和 A2 可以將信號(hào)電壓放大,而共模電壓則只收到單一增益。但是,現(xiàn)在每個(gè)緩沖器的輸出端同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)減法器電路 A3,它只讓差分電壓通過,并且有效地抑制任何共模電壓。當(dāng)直流共模輸入電壓使得單電源的儀表放大器電路不能工作時(shí),一個(gè)會(huì)影響由三個(gè)運(yùn)算放大器配置成之單片器件的問題就會(huì)發(fā)生。設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)選用單電源儀表放大器,所以它們便可利用單一的低壓電源來工作。但

6、接下來他們就遇到麻煩了。 以一個(gè)利用單 5V直流單一供應(yīng)電壓工作的的儀表放大器橋式電路為例(圖 4。很多設(shè)計(jì)工程師只是簡單地將儀表放大器的基準(zhǔn)輸入端 VREF 接地,就像雙電源工作情況那樣。在這個(gè)簡化的案例中,利用一個(gè)采用等值電阻的橋電路,緩沖器的(零信號(hào)(zero-signa輸出(A1 和 A2均為 2.5V 直流。這種情況發(fā)生的原因是,因?yàn)閮x表放大器的緩沖器是以共模電壓的單一增益來運(yùn)作。由于兩個(gè)緩沖器都將相同的 2.5V DC 加到儀表放大器的輸出減法器上,減法器會(huì)試圖擺向 0V。事實(shí)上,即使具有良好“軌至軌”效能的放大器也不能一直擺到負(fù)電源(在此一案例中,“接地”或 0V,所以一個(gè)明顯的

7、錯(cuò)誤早就存在了。顯然地,試圖向儀表放大器信號(hào)輸出負(fù)值擺動(dòng)的任何電阻橋信號(hào)都不會(huì)有任何結(jié)果。此時(shí)電路基本上已經(jīng)沒有功能了,而一位粗心大意的設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)很容易地忽略此一問題,因?yàn)樵跊]有共模電壓時(shí),儀表放大器的輸出看起來沒有什么異樣。解決此一常見問題的辦法是在儀表放大器的基準(zhǔn)端加一個(gè)2.5V的半供電電壓(half the supply voltage,這樣,A3 的輸出就會(huì)確定在供電電壓的中間。于是該輸出可以在這個(gè)中間電壓的上下擺動(dòng)。當(dāng)然,在這種情況下,低電壓、單電源電路的動(dòng)態(tài)范圍一般要低于雙電源供電的情況。當(dāng)?shù)凸?yīng)電壓及高放大器增益使得儀表放大器電路失效(inoperative時(shí),就會(huì)出現(xiàn)類似

8、的問題。當(dāng)儀表放大器在很高的增益(如1000工作時(shí),這是非常常見的(圖 5。此時(shí),10 mV p-p 的輸入電壓乘以一個(gè) 1000 的增益,可以在兩個(gè)輸出端 A1 和 A2 之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 10V p-p 的信號(hào)。當(dāng)使用 ±15V 電源時(shí),這不是問題。但當(dāng)電路用單 5V 甚至雙 5V 電源供電時(shí),儀表放大器就無法工作了。并且,如果電路中原來就有高直流共模電壓的橋式放大器,將更增加復(fù)雜性。 使用單片 IC 的使用者無法利用到緩沖輸出端 A1 和 A2,而只能看到最終輸出端的情況,即 A3 輸出端。再者,這種情況產(chǎn)生的嚴(yán)重設(shè)計(jì)問題是無法探測到的,有時(shí)只有當(dāng)產(chǎn)品在交付使用后才會(huì)發(fā)現(xiàn)。另外常

9、見的應(yīng)用問題是源自于利用低單一供應(yīng)電壓作業(yè),并采用標(biāo)準(zhǔn)的非軌至軌器件(standard, non-rail-to-rail device。像 Analog Devices AD623 這樣的高質(zhì)量軌至軌儀表放大器的輸出擺幅向上可以到正電壓軌 0.5V之下,向下可以到接地 0.01V之上。它的輸入電壓范圍也相似。此時(shí),放大器的輸出擺幅幾乎與供電電壓相等。因此,當(dāng)使用單 5V 電源時(shí),放大器的輸出擺幅大約為 4.49V。不幸的是,有些設(shè)計(jì)工程師忘記了放大器的余量問題(headroom,在設(shè)計(jì)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的非軌至軌產(chǎn)品。即使是一個(gè)很好的雙電源儀表放大器,其輸出擺幅也只是在兩個(gè)軌之間約 2V 以內(nèi)。因

10、此,當(dāng)使用單 12 V 電源,儀表放大器的輸出以 6V 為中心時(shí),軌至軌放大器的擺幅可以為 ±5.5V,而標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品則可能只有 ±4V 的輸出擺幅(11V p-p 與 8V p-p之比較。另外,當(dāng)設(shè)計(jì)工程師試圖用高阻抗源驅(qū)動(dòng)儀表放大器的基準(zhǔn)端時(shí),也會(huì)出現(xiàn)一些應(yīng)用問題。在多數(shù)常見儀表放大器中,基準(zhǔn)輸入端的典型阻抗值為 20 至 125 k。如果使用像運(yùn)算放大器這一類的低阻抗源來直接驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)端,就不會(huì)有問題。但經(jīng)常有設(shè)計(jì)工程師粗心大意地把一個(gè)電阻分壓器當(dāng)作一低成本的比例輸出(ratio-metric基準(zhǔn)源,最終就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤(圖 6。在一個(gè)典型的三運(yùn)算放大器儀表放大器中,基準(zhǔn)

11、輸入端是輸出減法器電路的一部分。它本身的輸入阻抗是固定的,近似等于 RREF1 與 RREF2 之和,通常是 2×RREF。在基準(zhǔn)端與公共地之間外接電阻 R2 會(huì)使 A3 減法器失去平衡,造成 CMR 誤差。一種可以盡量減小此一問題的辦法是將 R2 的值降低到大約為 RREF1 與 RREF2 之和的 0.1%(對 60 dB CMR而言。但是,對于 10 k 的 RREF 和 RREF2 (總輸入 Z 為 20000,R2 要求是 20。但這么小的電阻會(huì)在分壓網(wǎng)絡(luò)中無謂地消耗掉大量電流。另外,還有 RREF1 和 RREF2 與 R2 的分流問題,這會(huì)造成基準(zhǔn)電壓的誤差。 這些問題綜合起來,就會(huì)為采用運(yùn)算放大器緩沖器驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)端提供一強(qiáng)而有力的論據(jù)(圖 7。