仪表运放使用总结

在一般信号放大的应用中通常只要透过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路变更放大增益时，必须满足两个电阻，影响整个讯号放大精确度的变

1. AD620仪表放大器简介

图1仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中的电阻R 与R x需在放大器的电阻适用范围内(1kΩ~10kΩ)。固定的电阻R，我们可以调整R x来调整放大的增益值，其关系式如式（1）所示，注意避免每个放大器的饱和现象（放大器最大输出为其工作电压±Vdc）

（1）

图1仪表放大电路示意图

一般而言，上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到，只需外接一电阻（即式中R X），依照

其特有的关系式去调整至所需的放大倍率即可。

AD620 仪表放大器的引脚图如图2所示。其中1、8引脚要跨接一个电阻来调整放大倍率，4、7引脚需提供正负相等的工作电压，由2、3引脚输入的电压即可从引脚6输出放大后的电压值。引脚5是参考基准，如果接地则引脚6的输出即为与地之间的相对电压。AD620的放大增益关系式如式（2）、式（3）所示，通过以上二式可推算出各种增益所要使用的电阻值R G。

图2 AD620 仪表放大器的引脚图

（2）

即

（3）

AD620的基本特点为精度高、使用简单、低噪声，增益范围1~1000，只需一个电阻即可设定，电源供电范围±~±18V，而且耗电量低，可用电池驱动，方便应用于可携式仪器中。

2．AD620 仪表放大器基本放大电路

图3为AD620电压放大电路图，其中电阻R G需根据所要放大的倍率由式（3-22）求得，

图3 AD620电压放大电路图

由式（3）可以计算出放大2倍所需要的电阻为KΩ

AD620非常适合压力测量方面的应用，如血压测量、一般压力测量器的电桥电路的信号放大等。AD620 也可以作为ECG测量使用由于AD620 的耗电量低，电路中电源可用3V干电池驱动；

也因此AD620 可以应用在许多可携式的医疗器材中。

AD620的5脚标明VREF，这是为了使远距传输信号时消除地电位的不平衡而设定的，输出信号若为V，则会跌加到VREF上，也就是输出为Vout=V+Vref。一般把VERF接地就可以了，或者你想抬高或拉低信号，也可以给VREF加个电压值。

==》AD620的Vout=（V+ - V-）*G + Vref

2. 供电电压等使用问题

1）大家都知道，放大器的输出电压范围取决于其供电电压.但是，在AD620的使用过程中，更值得注意的是它的放大倍数的线性度受电源电压制约这一点。+5v和-5V供电时，线性度只在

~+间。提高供电电压，可以扩宽线性区。

2）共模输入对输出为负这一区域的放大倍数线性度有较大影响。当共模输入为负的1v左右时，在+5v和-5v供电之下，负向输出的线性度只能达到左右。这一点要特别注意。一般在使用AD620时都忽略共模问题，一味使用提高电源的方法来改善线性度是不行的。

3）AD620得5脚的作用只能上拉/下拉输出电压。5脚作为参考端，一般情况下接地。当需要运用5脚拉高或降低输出时，可以接某一参考电压。但在这种情况下，要注意放大倍数的线性区不会因为5脚的改变来变化。例如+5V和-5V供电，5脚接地时，输出超过都为非线性段；当5脚接+1V时，不要认为此时输出超过+（++1V）才线性，这是同样是超过都为非线性段。还有一点提醒大家，市面上十几块钱的AD620都是次品，最好用好的AD620，不然。。。。

3. 常见使用问题解答

问：我最近想用Ad620作一个可调节增益的放大电路，后面接16位的ADC，所以对放大电路的精度要求挺高。使用模拟开关调节增益电阻达到增益倍数的改变。

问题是：Ad620的输入不为差分信号。我测量的信号输入为单端信号，我将IN+接“单端信号的信号端”，IN-接“传感器GND”，输出为单端电压信号，ref输出接地(和传感器GND连接)。但是我不知道这样接是不是不好可能共模误差大。有没有更好的设计方案。如何降低共模误差输入就是两根线，一个是传感器信号线，另一根是传感器地线。如果IN-接地，则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱，而IN+上的共模干扰信号依然存在，则AD620输出不能降低共模噪声。可不可以将输入浮空，也就是将IN+接“单端信号的信号端”，IN-接“传感器GND”，但是“传感器GND”和Ad620供电的地相互隔离，ref输出接电源地。这样输出信号为IN+和IN-的差值，如同差分信号一样可以降低共模干扰。但是两个地电位不同，应该会出现问题，如何才能实现如上的思路。如何保证IN-接的地和真正的电源地接近，同时IN-上的共模噪声依然存在(IN-地和ref引脚接地之间“隔离”)，这样AD620的输出可以最大限度的降低共模噪声。

这种设计需要注意什么如何才能提高信号精度，因为后面是16位的AD。

答：该问题实质上是如何实现一个单端信号与差分信号的转换问题。这个问题非常普遍。问题已经清楚地表述了：“如IN-接地，则IN-上的共模干扰信号会直接接到地上减弱，而IN+上的共模干扰信号依然存在，则AD620输出不能降低共模噪声。”

仔细分析这个问题，发现我们只要搞清楚AD620是否可以单端使用就可以了。可以把问题分成

两种情况看一下：

a）如果AD620的IN-可以直接接地使用。因为传感器输出是一个单端信号，本来就有一端是地，如此接法实质上就是把传感器和测量电路这两个系统共地而已，不存在不能降低共模噪声这

样的问题。当然前提确认是IN-引脚是否能够直接接地就可以了，这是AD620自身的问题，与

传感器无关。

b）如果AD620的IN-不能接地使用。可以考虑把传感器的单端信号通过一个差分放大器转换

为差分信号即可。

因此，只要测量电路可以接收单端信号就可以了，接法不是问题的关键。

4. 补充资料：仪表放大器

各种非电量的测量，通常由传感器把它转换为电压（或电流）信号，此电压信号一般都较弱，最小的到μV，而且动态范围较宽，往往有很大的共模干扰电压。因此，在传感器后面大都需要接仪表放大器，主要作用是对传感器信号进行精密的电压放大，同时对共模干扰信号进行抑制，以

提高信号的质量。

由于传感器输出阻抗一般很高，输出电压幅度很小，再加上工作环境恶劣，因此，仪器放大器与一般的通用放大器相比，有其特殊的要求，主要表现在高输入阻抗，高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声、及高闭环增益稳定性等。本节介绍几种由运算放大器构成的高共模抑制比仪表放大

器

（一）同相串联差动放大器

图4为一同相串联差动放大器。电路要求两只运算放大器性能参数基本匹配，且在外接电阻元件对称情况下（即R1=R4，R2=R3），电路可获得很高的共模抑制比，此外还可以抵消失调及漂

移误差电压的作用。

图4 同相串联差动放大器

该电路的输出电压由叠加原理可得

从而求得差模闭环增益

（二）同相并联差动放大器

图5为同相并联差动放大器。该电路与图4电路一样，仍具有输入阻抗高、直流效益好、零点漂移小、共模抑制比高等特点，在传感器信号放大中得到广泛应用。

图5同相并联差动放大器

由图5可知：

将I 代入V01，V02可得

由此可得电路差模闭环增益

该电路若用一可调电位器代替R7，可以调整差模增益A d的大小。

该电路要求A3的外接电阻严格匹配，因为A3放大的是A1，A2输出之差。电路的失调电压是由A3引起的，降低A3的增益可以减小输出温度漂移。

（三）增益线性可调差动放大器

图6是电压增益可线性调节的差动放大器。可以通过调节电位器R W的线性刻度来直接读取电压

增益，给使用带来很大的方便。

图6增益线性可调差动放大器

图6中，由叠加原理可得

因V A=V B，整理上两式，且当R1=R2=R3=R4时，输出电压

电路闭环增益

可见，电路增益与RP W成线性关系，改变R W大小不影响电路的共模抑制比

（四）高共模抑制比差动放大器

前面讨论的电路中，没有考虑寄生电容、输入电容和输入参数不对称对抑制比的影响。当要求提高交流放大电路的共模抑制比时，这些影响就必须考虑。在检测和控制系统中，常用屏蔽电缆来实现长距离信号传输，信号线与屏蔽层之间有不可忽略的电容存在。习惯上采用屏蔽层接地的方

法，这样该电容就成为放大器输入端对地的寄生电容，加上放大器本身的输入电容。如果差动放大器两个输入端各自对地的电容不相等，就会使电路的共模抑制比变坏，测量精度下降。为了消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响，最简单的方法是采用等电位屏蔽的措施，即不把电缆的屏蔽层接地，而是接到与输入共模信号相等的某等电位点上，亦即使电缆芯线与屏蔽层之间处于等电位，从而消除了共模输入信号在差动放大器两端形成的误差电压。如图7所示。

图7高共模抑制比差动放大器

图中两只电阻R0的连接点电位正好等于输入共模电压，将连接点电位通过A4电压跟随器连到输入信号电缆屏蔽层上，使屏蔽层电位也等于共模电压。

参照同相并联差动放大器的分析可知

当R1=R2时，可证明连接点电位

正好等于共模输入电压，也即是电缆屏蔽层的电位与共模输入电缆芯线电位相等，因此不再因电

缆电容的不平衡而造成很大的误差电压。

由图7还可见，A4的输出端还接到输入运放A1、A2供电电源±E C的公共端，因此使其电源处于随共模电压而变的浮动状态，即使正负电源的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同。由于电源对共模电压的跟踪作用，会使共模电压造成的影响大大地削弱。

（五）集成仪器放大器

在差分放大电路中，电阻匹配问题是影响共模抑制比的主要因素。如果用分立运算放大器来作测量电路，难免有电阻的差异，因而造成共模抑制比的降低和增益的非线性。采用后模工艺制作的集成仪器放大器解决了上述匹配问题，此外集成芯片较分立放大器具有性能优异、体积小、结构

简单、成本低的优点，因而被广泛使用。

一般集成仪器放大器具有以下特点：

(1) 输入阻抗高，一般高于109Ω；

(2) 偏置电流低；

(3) 共模抑制比高；

(4) 平衡的差动输入；

(5) 良好的温度特性；

(6) 增益可调；

(7) 单端输入。