被完全误解的三运放仪表放大器
仪表运算放大常见的设计错误
仪表放大器——可避免常见的设计陷阱作者：德州仪器(TI) Bruce Trump标签：IA、仪表放大器、In Amp仪表放大器（IA）是运算放大器和反馈电阻的结合，用于精确地获取和放大信号。
使用这些通用放大器的一个常见错误是没有为输入偏置电流提供一条通路。
25年以来，我们一直在向人们展示一幅图表，强调正确运行所要求的必要输入偏置，但广大设计人员似乎都没有注意到这一点。
之所以会这样也许正是因为它的名字——仪表放大器。
它听起来像是实验室仪器，例如：示波器或者频谱分析仪等，包括一些随时可用的输入。
好吧，差不多是这样，但仪表放大器需要您更小心一些。
每个输入都直接连接至双极晶体管基极（请参见图1a）或者FET 栅极（请参见图1b）。
双极晶体管要求基极电流工作。
浮动热电偶电压源不提供该电路通路。
没有该电流通路的情况下，输入会出现饱和，从而形成无效输出电压。
即使是一个极低输入偏置电流的FET 输入IA（例如：INA116）也要求一条偏置电流通路。
尽管首次上电时图1b 所示AC 耦合电路可能会看似正常工作，但输入电容会通过微输入偏置电流缓慢充电，并且输出好像会不稳定或者偏离其起始值。
每个输入的接地电阻器会对该电路正确偏置，同时在FET 输入的输入偏置电流极低的情况下10MΩ电阻会非常有效。
请注意，许多电路均不会要求采取特殊的预防措施。
如果差动输入电压源能够提供输入偏置电流，并且其参考导电通路接地，则无需特殊预防措施。
请参见图2。
图3 显示了正确偏置IA 输入的三个例子。
所选应用和IA 的特性不同，图中所示电阻器值可能也会不同。
在如何提供这种电流通路方面，存在许多差异。
图中仅显示了三种通用案例。
只需一点点创造性，您便可以找到一种适合您应用的方法。
如果您对我们的高精度放大器有什么建议，请访问我们的论坛。
我又一次想到了这种放大器的名字：仪表放大器，这可能就是它经常被人忽略的原因。
顺便说一下，在处理运算放大器输入时我们也可能会犯同样的错误。
三运放仪表放大器
三运放仪表放大器摘要本系统采用三个OP07双电源单集成运放芯片构成仪表放大器，此放大器能调节将输入差模信号放大100至200倍，同时具有高输入电阻和高共模抑制比，对不同幅值信号具有稳定的放大倍数；电源部分由变压器、整流桥、7812、7912、7805等线性电源芯片组成，可输出+5V、+12V、-12V三路电压。
一、方案论证与比较1.放大器电源的制作方法方案一：本三运放仪表放大器系统采用集成运放OP07，由于OP07是双电源放大器，典型电源电压为，可方便采用市售开关电源或者开关电源芯片制作电源作为OP07的电源输入，开关电源具有的效率高，体积小，散热小，可靠性高等特点，但是因为其内部构造特性，使输出电压带有一定的噪声干扰，不能输出纯净稳定的电压。
方案二：采用线性电源稳压芯片78系列和79系列制作线性电源，使用多输出抽头变压器接入整流桥再接入稳压芯片，输出纯净的线性电源。
2.电源方案论证本系统是一个测量放大系统，其信号要求纯净无噪声干扰，在系统中加入滤波器消除干扰的同时，我们应该考虑系统本身的干扰源并尽量降低干扰。
考虑到开关电源的输出电压不是十分纯净的，带有许多噪声干扰，而线性电源可以稳定输出电压值，虽然线性电源体积较大，效率较低，但是作为测量系统中，我们采用方案二来提高测量的精准度。
3.放大器制作方法方案一：题目要求使输入信号放大100至200倍，可使用单运放构成比例运算放大电路，按负反馈电阻比例运算进行放大，输出电压，此放大电路可以达到预定的放大倍数，但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题。
方案二：采用三运放构成仪表放大器，这是一种对弱信号放大的一种常用放大器，输出电压。
4.放大器方案论证在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。
然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。
这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。
仪表放大器工作原理
仪表放大器工作原理仪表放大器是一种电子设备，用于放大仪表或传感器的输出信号，以便更容易地读取和分析。
它在各种工业和科学应用中都有广泛的用途，包括实验室测量、控制系统和医疗设备等领域。
仪表放大器的工作原理涉及到放大器电路、信号处理和反馈控制等方面的知识。
仪表放大器通常由几个基本部分组成，包括输入端、放大器电路、输出端和反馈控制。
当仪表或传感器产生输出信号时，这个信号首先被送入放大器的输入端。
输入端通常包括一个电阻网络，用于匹配信号源的输出阻抗，并将信号送入放大器电路。
放大器电路是仪表放大器的核心部分，它负责放大输入信号并进行信号处理。
放大器电路通常由一个或多个放大器组成，这些放大器可以是运算放大器、差分放大器或仪表放大器专用的放大器。
这些放大器可以根据需要进行调节，以适应不同的输入信号和放大倍数。
输出端是仪表放大器的最后一部分，它负责将放大后的信号送入仪表或其他设备进行显示或进一步处理。
输出端通常包括一个输出缓冲器，用于匹配放大器电路的输出阻抗，并将信号送入下游设备。
反馈控制是仪表放大器的一个重要部分，它负责稳定放大器的工作状态并调节放大倍数。
反馈控制通常包括一个反馈网络和一个反馈电路，用于检测放大器输出信号并将反馈信号送入放大器电路，以调节放大倍数并保持稳定的工作状态。
仪表放大器的工作原理可以总结为：输入信号经过输入端进入放大器电路，经过放大器电路放大和处理后，送入输出端输出。
同时，反馈控制负责调节放大倍数并保持稳定的工作状态。
这样，仪表放大器就可以将仪表或传感器的输出信号放大并进行处理，以便更容易地读取和分析。
总的来说，仪表放大器的工作原理涉及到放大器电路、信号处理和反馈控制等方面的知识。
通过合理设计和调节，仪表放大器可以有效地放大和处理各种类型的输入信号，为各种工业和科学应用提供可靠的信号放大和处理功能。
仪表放大器与运算放大器的区别是什么
仪表放大器与运算放大器的区别是什么？文章来源：EDN博客作者：zhangjinlei2005 访问次数：513--------------------------------------------------------------------------------该文章讲述了仪表放大器与运算放大器的区别是什么？的电路原理和应用仪表放大器与运算放大器的区别是什么？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单元。
大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。
其输入偏置电流也应很低，典型值为1 nA至50 nA。
与运算放大器一样，其输出阻抗很低，在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。
运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。
与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。
对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。
专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。
使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。
电路如下图所示：输出电压表达式如图中所示。
看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？为何上述电路可以实现仪表放大器？下面我们就将探讨这些问题。
在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分电路：如果R1 ＝R3，R2 ＝R4，则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。
首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。
在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于100 kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 kΩ。
因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。
运算放大器和仪表放大器有哪些区别
运算放大器和仪表放大器有哪些区别？_______________________________________________________________Microchip Technology Inc.模拟和接口产品部首席产品营销工程师Kevin Tretter仪表放大器这一术语经常被误用，它指的是器件的应用，而非器件的架构。
在过去，任何被认为精准（即，实现某种输入失调校正）的放大器都被视为“仪表放大器”，这是因为它被设计为用于测量系统。
仪表放大器（即INA）与运算放大器（运放）相关，因为二者基于相同的基本构件。
但INA是专用器件，专为特殊功能设计，并非一个基本构件。
就这一点而言，仪表放大器不是运放，因为它们的用途不同。
就用途而言，INA与运放之间最显著的区别或许是前者缺少反馈回路。
运放可配置为执行各种功能，包括反相增益、同相增益、电压跟随器、积分器、低通滤波器和高通滤波器等。
在所有情况下，用户都会提供从运放的输出到输入的反馈回路，此反馈回路决定放大器电路的功能。
这种灵活性使运放得以广泛用于各种应用。
另一方面，INA的反馈位于内部，因此没有到输入引脚的外部反馈。
INA的配置限制为1个或2个外部电阻，也可能限制为一个可编程寄存器，用于设置放大器的增益。
INA专为差分增益和共模抑制功能而设计和使用。
仪表放大器将放大反相输入和同相输入间的差值，同时抑制这两个输入的任何共用信号，从而使INA的输出上不存在任何共模成分。
增益（反相或同相）配置的运放将以设定的闭环增益来放大输入信号，但输出上将一直存在共模信号。
所关注信号与共模信号间的增益差会导致共模成分（以差分信号的百分比表示）减少，但运放的输出上仍存在共模成分，这将限制输出的动态范围。
如上所述，INA用于在存在大量共模成分时提取小信号，但共模成分的形式可能多种多样。
当使用采用惠斯通电桥配置（我们将稍后探讨）的传感器时，存在由两个输入共用的较大直流电压。
一文知道运算放大器和仪表放大器有哪些区别
一文知道运算放大器和仪表放大器有哪些区别仪表放大器这一术语经常被误用，它指的是器件的应用，而非器件的架构。
在过去，任何被认为精准（即，实现某种输入失调校正）的放大器都被视为“仪表放大器”，这是因为它被设计为用于测量系统。
仪表放大器（即INA）与运算放大器（运放）相关，因为二者基于相同的基本构件。
但INA 是专用器件，专为特殊功能设计，并非一个基本构件。
就这一点而言，仪表放大器不是运放，因为它们的用途不同。
就用途而言，INA与运放之间最显著的区别或许是前者缺少反馈回路。
运放可配置为执行各种功能，包括反相增益、同相增益、电压跟随器、积分器、低通滤波器和高通滤波器等。
在所有情况下，用户都会提供从运放的输出到输入的反馈回路，此反馈回路决定放大器电路的功能。
这种灵活性使运放得以广泛用于各种应用。
另一方面，INA的反馈位于内部，因此没有到输入引脚的外部反馈。
INA的配置限制为1个或2个外部电阻，也可能限制为一个可编程寄存器，用于设置放大器的增益。
INA 专为差分增益和共模抑制功能而设计和使用。
仪表放大器将放大反相输入和同相输入间的差值，同时抑制这两个输入的任何共用信号，从而使INA的输出上不存在任何共模成分。
增益（反相或同相）配置的运放将以设定的闭环增益来放大输入信号，但输出上将一直存在共模信号。
所关注信号与共模信号间的增益差会导致共模成分（以差分信号的百分比表示）减少，但运放的输出上仍存在共模成分，这将限制输出的动态范围。
如上所述，INA用于在存在大量共模成分时提取小信号，但共模成分的形式可能多种多样。
当使用采用惠斯通电桥配置（我们将稍后探讨）的传感器时，存在由两个输入共用的较大直流电压。
但是，干扰信号可具有多种形式；一个常见来源是来自电源线的50 Hz或60 Hz 干扰，更不用说谐波了。
这种时变误差源通常还会随频率发生明显波动，从而使得在仪表放大器的输出端进行补偿变得极其困难。
由于存在这些变化，因此不仅要在直流下，还要在各种频率下实现共模抑制。
仪表放大器应用中的相关问题探究
随着电子技术水平的提升,仪表放大器得到了广泛应用,笔者通过对仪表放大器的研究,根据仪表放大器的概念和特征,探讨了仪表放大器与运算放大器之间的差异和仪表放大器的基本原理,最后详细叙述了放大器的应用问题。
1 仪表放大器仪表放大器是一种差分输入和相对参考单端输出的闭环增益组件,能够进行差分输出和相对参考端输出的单端输出能力。
仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出的功能。
仪表放大器随着科技的发展已经能够应用到多个领域,它将关键元件集成在放大器内,特殊的构造使它有着许多优秀的性能,尤其是在医疗器械、音响设备数据采集方面都有很好效果。
仪表放大器的应用会受到多种因素的影响:第一,由于仪表放大器采用了三运放结构,在平衡输入时,两输入运放差分输入范围增大,但是输出级动态范围不变,因此,是无法扩展其有效输入范围的;第二,一般情况下,放大器与被测信号之间不会设置公共端,要保证仪表放大器可以正常工作,离不开偏置电流路径,如果没有达到这一要求,两端入端就会悬浮起来,致使输入运放超过标准范围,为了解决这一问题,需要设置好相关的偏置电流通路,这样既可由偏置电阻来决定输入阻抗;第三,如果使用不平衡输入方式,虽然可以获取到理想的阻抗,但是,运放输入范围较小,共模抑制性也会受到影响。
总之,要求仪表放大器同时具有宽输入范围和高输入阻抗,并保持优秀的共模抑制性能,这在事实上是不可能的。
2 仪表放大器的特性仪表放大器能够实现低输入偏置电流和低失调电流误差,它拥有偏置电流输入和输出两个端口,并且根据它的类型不同存在着一定差别。
首先,偏置电流经过不平衡电阻时会出现一个失调误差,而向仪表放大器中输入失调电流误差就是失配程度。
其次,由于仪表放大器的工作环境要求其必须能够处理低输入电压的情况,所以仪表放大器自身产生的噪音信号就绝对不能与电信号一同处理。
1000Hz的条件下,输入端的最小噪声为10 nV/ √Hz, 微功耗的仪表放大器与其他放大器相比更能接受低的输入电流,相对得会产生得到的噪音。
仪表放大器 原理
仪表放大器原理
仪表放大器是一种电路设备，用于将输入信号放大并输出至仪表显示。
其基本原理是通过放大器电路对输入信号进行放大，以便能够更好地显示在仪表上。
仪表放大器的核心部件是放大器，根据不同的应用需求，可以选择使用不同类型的放大器，如运放放大器、电子管放大器等。
放大器接收输入信号，经过放大后输出到仪表上。
在仪表放大器中，通常还会加入一些辅助电路来实现对输入信号的处理和调节。
比如，可以加入滤波电路来滤除输入信号中的噪音和干扰，提高信号的纯净度；还可以加入增益调节电路，以便根据需求调节放大倍数。
此外，在仪表放大器中，还需要考虑输入和输出的匹配问题，以确保输入信号的准确度和稳定性。
通常会根据输入信号的幅度范围和仪表的灵敏度要求，选择合适的放大倍数和增益值。
最终，经过放大和处理后的信号将输出至仪表上，实现对输入信号的具体量化和显示。
仪表放大器的设计和调试是一个复杂的过程，需要考虑到多个因素如电路的稳定性、信号的准确度和仪表的精度等。
总结来说，仪表放大器通过放大器电路对输入信号进行放大，再经过处理和调节，将信号输出至仪表显示。
其原理主要涉及信号放大、滤波和增益调节等。
通过合理的设计和调试，能够实现对输入信号的准确量化和显示。
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仪表放大器与运算放大器的区别是什么？
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单元。
大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109 Ω。
其输入偏置电流也应很低，典型值为 1 nA至50 nA。
与运算放大器一样，其输出阻抗很低，
在低频段通常仅有几毫欧（mΩ）。
运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输
出端之间连接的外部电阻决定。
与放大器不同的是，仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络，它与其信号输入端隔离。
对仪表放大器的两个差分输入端施
加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置，该增益电阻器也与信号输入端隔离。
专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。
使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。
电路如下图：
输出电压表达式如图中所示。
看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？为何上述电路可以实现仪表放大器？下面我们就将探讨这些问题。
在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分电路：
如果R1 ＝R3，R2 ＝R4，则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)
这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。
首先，同
相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。
在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于100 kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 kΩ。
因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。
（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。
）另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。
例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有0.1% 失配，其CMR便下降到66 dB（2000:1）。
同样，如果源阻抗有100 Ω的不平衡将使CMR下降6 dB。
为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。
如下图所示：
以上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下所示：
输出电压表达式如上图所示。
上图所示的电路增加增益（A1 和A2）时，
它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。
也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。
下面，要开始最巧妙的变化了！看电路先：
这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。
像前面的电路一样，上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。
然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。
由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。
因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。
这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。
如果R5 ＝R6，R1＝R3和R2 ＝R4，则VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。
然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。
由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。
因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。
这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍！
在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。
因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。
最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。
这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。
上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。
到这里，我们导出了这个经典电路的；来龙去脉：差分放大器-->前置电压跟随器-->电压跟随器变为同相放大器-->三运放组成的仪用放大器。
被完全误解的三运放仪表放大器
图1所示的三运放仪表放大器看似为一种简单的结构，因为它使用已经存在了几十年的基本运算放大器(op amp)来获得差动输入信号。
运算放大器的输入失调电压误差不难理解。
运算放大器开环增益的定义没有改变。
运算放大器共模抑制(CMR)的简单方法自运算放大器时代之初就已经有了。
那么，问题出在哪里呢？
图1：三运放仪表放大器，其VCM为共模电压，而VDIFF为相同仪表放大器的差动输入。
单运算放大器和仪表放大器的共享CMR方程式如下：
本方程式中，G相当于系统增益，VCM为相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压，而VOUT为相对于变化VCM值的系统输出电压变化。
在CMR方面，运算放大器的内部活动很简单，其失调电压变化是唯一的问题。
就仪表放大器而言，有两个影响器件CMR的因素。
第一个也是最重要的因素是，涉及第三个放大器（图1，A3）电阻比率的平衡问题。
例如，如果R1等于R3，R2等于R4，则理想状况下的三运放仪表放大器CMR为无穷大。
然而，我们还是要回到现实世界中来，研究R1、R2、R3 和R4与仪表放大器CMR的关系。
具体而言，将R1：R2同R3：R4匹配至关重要。
结合A3，这4个电阻从A1和A2的输出减去并增益信号。
电阻比之间的错配会在A3输出端形成误差。
方程式2在这些电阻关系方面会形成CMR误差：
例如，如果R1、R2、R3和R4接近相同值，且R3：R4等于R1/R2的1.001，则该0.1%错配会带来仪表放大器CMR的降低，从理想水平降至66dB级别。
根据方程式1，仪表放大器CMR随系统增益的增加而增加。
这是一个非常好的特性。
方程式1可能会激发仪表放大器设计人员确保有许多可用增益，但是这种方法存在一定的局限性。
A1和A2开环增益误差和噪声。
放大器的开环增益等于20log(ΔVOUT/ΔVOS)。
随着A1和A2增益的增加，放大器开环增益失调误差也随之增加。
A1和A2的输出振幅变化一般涵盖电源轨。
仪表放大器增益更高的情况下，运算放大器的开环增益误差和噪声占主导。
通过RSS公式，这些误差降低了更高增益下的仪表CMR。
因此，您会看到仪表放大器的CMR性能值往往会在更高增益时达到最大值。
因此，从CMR角度来看，仪表放大器就像是一个在不同系统增益下器件各部分都诱发CMR误差的系统。
当您对器件的内部原理进行研究时，它便不再如此神秘。
您把各个部分都分开来，就会一目了然。