仪表放大器特点及作用

　　仪表放大器是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

　　一、仪表放大器特点

　　1、高共模抑制比

　　共模抑制比（CMRR）则是差模增益（Ad）与共模增益（Ac）之比，即：CMRR=20lg|Ad/Ac|dB；仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70～100dB以上。

　　2、高输入阻抗

　　要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为109～1012Ω。

　　3、低噪声

　　由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz。

　　4、低线性误差

　　输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。

　　5、低失调电压和失调电压漂移

　　仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV。

　　二、仪表放大器的作用

　　目前仪表放大器在多方面已经得到运用，典型应用如下：

　　1、高边监视器

　　简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些精密电阻，常见的高边测量都采用经典的差分放大器（用作增益放大和高边到地的电平转换）。虽然很多应用中也会使用分离电路，但其输入阻抗较低，而且电阻之间有较大差异。电阻的匹配必须非常才能获得可接受的共模抑制比，任一个电阻值存在0.01％的偏差都将使cmrR降低到86dB；如果偏差为0.1％，将使cmrR降低到66dB；而1％的偏差将使cmrR降低到46dB。选择仪表放大器结构时，有一个需要特别关注的参数，即在放大器任何输出摆幅下，输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。

　　2、电平转换器

　　此电路的工作原理可以这样来理解，将max4198看作一个三输入求和放大器（如图7所示），其电压传输函数为Vout＝Vb－Va＋Vshift，此式表明，输出由差分信号与REF输入电压的代数和所决定，VREF可为任意值，它不会使max4198的放大器输出饱和，max4194也适合作一个精密放大器，它可以很方便地配置成如下固定增益：－1、2或±1。

　　3、应力测量

　　三运放拓扑的真正优势是其能够进行真正的差分测量（很高的cmr），同时又有非常高的输入阻抗，这些特点使其得到了广泛应用，特别是在信号源阻抗非常高的场合。为使信号源对地的漏电流达到小，本例采用了一些防护技术，信号源电缆采用屏蔽电缆，并将其屏蔽隔离层接到（Vcm＋ΔV/2）。图8给出了一个包括惠斯通电桥传感器的放大电路，对该电路的电桥阻抗可适当减小，并不会降低仪表放大器的cmr值。