第24卷第5期2008年9月赤峰学院学报(自然科学版)
JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.24No.5Sep.2008
仪用放大器简介及应用
陈淑芳
(福州职业技术学院,福建
福州
)50001
摘要:仪用放大器是与普通集成运算放大器相比具有很多优点,其性能更适用于精密测量等应用场
合.本文简单介绍了仪用放大器的特点和工作原理,读者可从中看出它与普通集成运放的不同之处.最后以
INA128为例介绍了仪用放大器的应用.
关键词:仪用放大器;低失调电压;高精度;INA128中图分类号:TH74
文献标识码:A
文章编号:1673-260X(2008)05A-0102-02
1
仪用放大器的特点
由于仪用放大器是一种经过优化处理、专门设计的精
仪用放大器由两个独立的部分组成,即输入级和输出级,总输出失调电压等于输入失调乘以增益加上输出失调.尽管初始的失调电压可以通过外部来调零,但失调电压漂移则不能通过调整来消除.与一般运放的失调电压一样,仪用放大器的失调电压漂移也由两部分组成,及输入和输出两部分.每一部分均对总增益有影响,但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源,而输出部分的影响可以忽略.输入和输出失调的典型值分别为100!V和2mV.
此外,仪用放大器具有优秀的稳定性当工作条件发生变化时,其关键参数仍然保持稳定.而且使用方便,只须检测两个输入端的电位差.另外,由于它的集成度高,主要元件都做在芯片内部,外围元件少.2
仪用放大器的工作原理
仪用放大器是在差动放大器的基础上发展起来的一种比较完善的放大器.作为已成型的仪用放大器,其内部是由三个运放和一些精密电阻构成,其电路如图2.1所示.A1、A2高输入阻抗同相放大器,A3为差动放大器.但前面所述的同相放大器的连线方式,与此处的同相放大器不一样,此处的同相放大器的反相端的接地电阻R1并不直接接地,而是将两个放大器的反相端通过R1直接相连.下面的分析可说明这样的连接方式的重要性和合理性.现利用叠加原理可导出仪用放大器的理想特性.
首先,令输入电压U12=0,推导放大器在输入信号Ui1单独作用下,运放A1、A2的输出电压.由于U12=0,则B点电压UB=0,可见运放A1是由R1和R2构成的同相放大器,其输出电压为:U'o1=Uil(R1+R2)/R1.由于A点电位:UA=U11,因此,运放A2是由R1和R2构成的反相放大器,U'o2=-Ui1R3/R1.
其次令输入电压U11=0,推导放大器在输入信号U12单独作用下,运放A1、A2的输出电压.由于UB=U12,且有U11=0,运放A1是由R1、R2构成的反相放大器,其输出电压为:
其输出电压为
密差分放大器,所以它具有很多独特的优势.1.1
高共模抑制比
仪用放大器具有能够消除任何共模信号(两输入端电位相同)而放大差模信号(两输入端电位不同)的特性.为了使仪用放大器能正常工作,要求它既能放大微伏级差模信号,同时又能抑制几伏的共模信号,实现这种功能的仪用放大器必须具有很高的共模抑制能力.共模抑制比的典型值为70-100dB.通常,在高增益时,CMRR的性能会得到改善,即高增益时CMRR较高,低增益时较低.1.2
较小的线性误差
通常,输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正,而线性误差则是器件的固有缺陷,不能用外部调整来消除.因此,仪用放大器线性误差小的特点,是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的.线性误差通常用满刻度的百分比来表示,对于一个高性能的仪用放大器来说,线性误差为0.01%,有的甚至能达到0.0001%.1.3
高输入阻抗
在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡,为了能很好的匹配,仪用放大器的输入阻抗不但要很高,而且还要具有良好的匹配性能.输入阻抗的典型值为109-1012欧姆.1.4
低噪声
仪用放大器经常被用在恶劣的环境中,完成较弱信号的拾取和预处理,所以要求它必须是低噪声器件,信噪比太低就不能工作.
在正常情况下,当输入信号的频率为1kHZ时,折合到仪用放大器输入端的噪声应小于10nV/!Hz.为了提高信噪比,一般不希望仪用放大器把自身的噪声加到信号上.1.5
低失调电压和低失调电压漂移
102
A1=1+2RR.又由于U11=0且UA=0,则运放A2是由R1和R2构
1成的同相放大器,其输出电压为:U"o2=-Ui2(R1+R3)/R1.
再推导放大器在U11、U12的同时作用下,运放A1、A2的输出电压为
Uo1=U'o1+U"o1=Ui1(R1+R2)/R1-Ui1R2/R1Uo2=U'o2+U"o2=-Ui1R3/R1+Ui2(R1+R3)/R1
A3为差动放大器,取匹配电阻R4=R5,且R6=R7,则仪用放大器总的输出电压为
Uo=(Uo1-Uo2)R6/R4=(Ui2-Ui1)R6(R1+R2+R3)/(R1R4)因此,仪用放大器的放大倍数为:
A1=R6(R1+R2+R3)
R1R4
由此可见,仪用放大器只要求满足R4=R5和R6=R7两个电阻匹配条件,即可获得上式的放大倍数;如若运放A1和A2分别为两个独立的同相放大器,则还应要求两个独立的放大器的放大倍数相等,否则将带来较大的误差.因此,一般在仪用放大器中,如选取R2R6为同一电阻R,则仪用放大器的输出增益为A1=1+2RR.
1
因此,只要改变电阻R1的取值大小,即可达到改变放大器增益的目的.另外,由于运放A1、A2为近似相同的两个同相放大器,由共模电压引起的输出电压也近似相等,经差动放大器A3相减后可以补偿掉由A1、A2共模放大倍数引起的误差.因此,仪用放大器的共模误差主要取决于A3的共模抑制比.当运放A1、A2具有相同的飘移特性时,也通过差动放大器A3的相减而得到补偿.3
INA128应用举例
INA128是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等.INA128只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值,内部输入保护能够长期耐受士40V,失调电压低(50uV),漂移小(0.5V/℃),共模抑制比高(G>100时最小120dB),用激光进行调整,可以在士2.25V的电压下工作,使用电池(组)或5V单电源系统,静态电流最大为700uA.INA128采用8引脚塑料封装,使用环境温度为-40℃—+85℃.3.1
建立增益
INA128的增益值只用一个外部电阻RG就可以设置,公式如下:
G=1+50K!
R(1)
g
公式(1)中的“50kΩ”这一项是两个内部反馈电阻的和.这两个金属膜的电阻已经用激光调整到精确的值.INA128增益的精确度和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系数.用来设置增益的外部电阻RG的稳定性和温漂也对增益有影响.RG对增益精度和增益漂移的影响,可以由公式(1)直接推导出来.高增益需要低阻值,所以接线电阻就
很重要.线路上增加的插座会使增益误差额外地增加100甚至更多,并且很可能是不稳定的误差.3.2
失调偏移的修正
INA128用激光来修正微小的失调电压和漂移,在大多数应用中都不需要进行外部失调修正.图3.1所示为采用一个回路来修正输出偏离电压.在这个结点上必须使用低电阻来保证良好的共模抑制比,用一个运算放大器进行缓冲就可以达到这个目的.3.3
偏置电压返回路径
INA128的输人电阻很大(约1010欧姆),但是必须为两个输入端的偏置电流都设置返回路径.偏置电流小于±1nA(由于电路的影响,偏置电流可正可负).由于输人电阻很大,使得输入电压变化时偏置电流的变化很小.必须提供输人电流返回路径,INA128才能正常运行.没有偏置电流返回路径,输入的浮动将超出INA128的共模范围,放大器将达到饱和.如果差动信号源电阻很小,偏置电流路径可以接到一个引脚上(参看图2的热电偶).信号源电阻大时,用两个相等电阻提供一个平衡输人,并且由于偏置电流和良好的共模抑制比,偏离电压也会变得较低.3.4
输入共模范围
INA128的运算放大器的线性共模范围和整个放大器的输出电压有关,约为士13.75V(或偏离电源电压1.25V).输出电压升高时,输人运算放大器A1和A2的输出电压摆却限制着线性输出范围.共模和差动输人信号联合会造成A1或A2输出饱和.图3.2所示为A1和A2根据共模和差动输人电压表示的输出电压摆.这些内部放大器的输出摆动能力和外部放大器A3一样.在输人共模需要达到最大范围的应用中,给INA128设置较小的增益,来限制输出电压摆.如果需要,在工NA128后加大增益来提高输出电压摆.输入过载时,输出常常表现正常.3.5
输人保护
INA128两个输人端的保护各自可承受士40V电压.即使一个输人端电压为-40V,另一个为+40V,也不会有危险.每个输入端的内部电路在通常信号条件下提供串联小电阻.为提供等效的保护,串联输人电阻会产生过度噪声.如果输人端过载,保护电路把输人电流限制到安全值(约1.5mA).即使没有电源电压存在,输人端仍然受到保护.4
结束语
综上所述,仪用放大器以其低失调、低飘移和高稳定增益、高共模抑制比等特点,在精密仪器中获得了广泛的应用.———————————————————参考文献:
〔1〕
赵保经.简明集成运算放大器应用手册[M].科学出版社,1989.
〔2〕
蔡明生.电子设计[M].高教出版社,2004.(责任编辑
白海龙)
103
第24卷第5期2008年9月赤峰学院学报(自然科学版)
JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.24No.5Sep.2008
仪用放大器简介及应用
陈淑芳
(福州职业技术学院,福建
福州
)50001
摘要:仪用放大器是与普通集成运算放大器相比具有很多优点,其性能更适用于精密测量等应用场
合.本文简单介绍了仪用放大器的特点和工作原理,读者可从中看出它与普通集成运放的不同之处.最后以
INA128为例介绍了仪用放大器的应用.
关键词:仪用放大器;低失调电压;高精度;INA128中图分类号:TH74
文献标识码:A
文章编号:1673-260X(2008)05A-0102-02
1
仪用放大器的特点
由于仪用放大器是一种经过优化处理、专门设计的精
仪用放大器由两个独立的部分组成,即输入级和输出级,总输出失调电压等于输入失调乘以增益加上输出失调.尽管初始的失调电压可以通过外部来调零,但失调电压漂移则不能通过调整来消除.与一般运放的失调电压一样,仪用放大器的失调电压漂移也由两部分组成,及输入和输出两部分.每一部分均对总增益有影响,但当增益提高时输入部分的失调漂移将成为主要的误差源,而输出部分的影响可以忽略.输入和输出失调的典型值分别为100!V和2mV.
此外,仪用放大器具有优秀的稳定性当工作条件发生变化时,其关键参数仍然保持稳定.而且使用方便,只须检测两个输入端的电位差.另外,由于它的集成度高,主要元件都做在芯片内部,外围元件少.2
仪用放大器的工作原理
仪用放大器是在差动放大器的基础上发展起来的一种比较完善的放大器.作为已成型的仪用放大器,其内部是由三个运放和一些精密电阻构成,其电路如图2.1所示.A1、A2高输入阻抗同相放大器,A3为差动放大器.但前面所述的同相放大器的连线方式,与此处的同相放大器不一样,此处的同相放大器的反相端的接地电阻R1并不直接接地,而是将两个放大器的反相端通过R1直接相连.下面的分析可说明这样的连接方式的重要性和合理性.现利用叠加原理可导出仪用放大器的理想特性.
首先,令输入电压U12=0,推导放大器在输入信号Ui1单独作用下,运放A1、A2的输出电压.由于U12=0,则B点电压UB=0,可见运放A1是由R1和R2构成的同相放大器,其输出电压为:U'o1=Uil(R1+R2)/R1.由于A点电位:UA=U11,因此,运放A2是由R1和R2构成的反相放大器,U'o2=-Ui1R3/R1.
其次令输入电压U11=0,推导放大器在输入信号U12单独作用下,运放A1、A2的输出电压.由于UB=U12,且有U11=0,运放A1是由R1、R2构成的反相放大器,其输出电压为:
其输出电压为
密差分放大器,所以它具有很多独特的优势.1.1
高共模抑制比
仪用放大器具有能够消除任何共模信号(两输入端电位相同)而放大差模信号(两输入端电位不同)的特性.为了使仪用放大器能正常工作,要求它既能放大微伏级差模信号,同时又能抑制几伏的共模信号,实现这种功能的仪用放大器必须具有很高的共模抑制能力.共模抑制比的典型值为70-100dB.通常,在高增益时,CMRR的性能会得到改善,即高增益时CMRR较高,低增益时较低.1.2
较小的线性误差
通常,输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正,而线性误差则是器件的固有缺陷,不能用外部调整来消除.因此,仪用放大器线性误差小的特点,是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的.线性误差通常用满刻度的百分比来表示,对于一个高性能的仪用放大器来说,线性误差为0.01%,有的甚至能达到0.0001%.1.3
高输入阻抗
在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡,为了能很好的匹配,仪用放大器的输入阻抗不但要很高,而且还要具有良好的匹配性能.输入阻抗的典型值为109-1012欧姆.1.4
低噪声
仪用放大器经常被用在恶劣的环境中,完成较弱信号的拾取和预处理,所以要求它必须是低噪声器件,信噪比太低就不能工作.
在正常情况下,当输入信号的频率为1kHZ时,折合到仪用放大器输入端的噪声应小于10nV/!Hz.为了提高信噪比,一般不希望仪用放大器把自身的噪声加到信号上.1.5
低失调电压和低失调电压漂移
102
A1=1+2RR.又由于U11=0且UA=0,则运放A2是由R1和R2构
1成的同相放大器,其输出电压为:U"o2=-Ui2(R1+R3)/R1.
再推导放大器在U11、U12的同时作用下,运放A1、A2的输出电压为
Uo1=U'o1+U"o1=Ui1(R1+R2)/R1-Ui1R2/R1Uo2=U'o2+U"o2=-Ui1R3/R1+Ui2(R1+R3)/R1
A3为差动放大器,取匹配电阻R4=R5,且R6=R7,则仪用放大器总的输出电压为
Uo=(Uo1-Uo2)R6/R4=(Ui2-Ui1)R6(R1+R2+R3)/(R1R4)因此,仪用放大器的放大倍数为:
A1=R6(R1+R2+R3)
R1R4
由此可见,仪用放大器只要求满足R4=R5和R6=R7两个电阻匹配条件,即可获得上式的放大倍数;如若运放A1和A2分别为两个独立的同相放大器,则还应要求两个独立的放大器的放大倍数相等,否则将带来较大的误差.因此,一般在仪用放大器中,如选取R2R6为同一电阻R,则仪用放大器的输出增益为A1=1+2RR.
1
因此,只要改变电阻R1的取值大小,即可达到改变放大器增益的目的.另外,由于运放A1、A2为近似相同的两个同相放大器,由共模电压引起的输出电压也近似相等,经差动放大器A3相减后可以补偿掉由A1、A2共模放大倍数引起的误差.因此,仪用放大器的共模误差主要取决于A3的共模抑制比.当运放A1、A2具有相同的飘移特性时,也通过差动放大器A3的相减而得到补偿.3
INA128应用举例
INA128是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等.INA128只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值,内部输入保护能够长期耐受士40V,失调电压低(50uV),漂移小(0.5V/℃),共模抑制比高(G>100时最小120dB),用激光进行调整,可以在士2.25V的电压下工作,使用电池(组)或5V单电源系统,静态电流最大为700uA.INA128采用8引脚塑料封装,使用环境温度为-40℃—+85℃.3.1
建立增益
INA128的增益值只用一个外部电阻RG就可以设置,公式如下:
G=1+50K!
R(1)
g
公式(1)中的“50kΩ”这一项是两个内部反馈电阻的和.这两个金属膜的电阻已经用激光调整到精确的值.INA128增益的精确度和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系数.用来设置增益的外部电阻RG的稳定性和温漂也对增益有影响.RG对增益精度和增益漂移的影响,可以由公式(1)直接推导出来.高增益需要低阻值,所以接线电阻就
很重要.线路上增加的插座会使增益误差额外地增加100甚至更多,并且很可能是不稳定的误差.3.2
失调偏移的修正
INA128用激光来修正微小的失调电压和漂移,在大多数应用中都不需要进行外部失调修正.图3.1所示为采用一个回路来修正输出偏离电压.在这个结点上必须使用低电阻来保证良好的共模抑制比,用一个运算放大器进行缓冲就可以达到这个目的.3.3
偏置电压返回路径
INA128的输人电阻很大(约1010欧姆),但是必须为两个输入端的偏置电流都设置返回路径.偏置电流小于±1nA(由于电路的影响,偏置电流可正可负).由于输人电阻很大,使得输入电压变化时偏置电流的变化很小.必须提供输人电流返回路径,INA128才能正常运行.没有偏置电流返回路径,输入的浮动将超出INA128的共模范围,放大器将达到饱和.如果差动信号源电阻很小,偏置电流路径可以接到一个引脚上(参看图2的热电偶).信号源电阻大时,用两个相等电阻提供一个平衡输人,并且由于偏置电流和良好的共模抑制比,偏离电压也会变得较低.3.4
输入共模范围
INA128的运算放大器的线性共模范围和整个放大器的输出电压有关,约为士13.75V(或偏离电源电压1.25V).输出电压升高时,输人运算放大器A1和A2的输出电压摆却限制着线性输出范围.共模和差动输人信号联合会造成A1或A2输出饱和.图3.2所示为A1和A2根据共模和差动输人电压表示的输出电压摆.这些内部放大器的输出摆动能力和外部放大器A3一样.在输人共模需要达到最大范围的应用中,给INA128设置较小的增益,来限制输出电压摆.如果需要,在工NA128后加大增益来提高输出电压摆.输入过载时,输出常常表现正常.3.5
输人保护
INA128两个输人端的保护各自可承受士40V电压.即使一个输人端电压为-40V,另一个为+40V,也不会有危险.每个输入端的内部电路在通常信号条件下提供串联小电阻.为提供等效的保护,串联输人电阻会产生过度噪声.如果输人端过载,保护电路把输人电流限制到安全值(约1.5mA).即使没有电源电压存在,输人端仍然受到保护.4
结束语
综上所述,仪用放大器以其低失调、低飘移和高稳定增益、高共模抑制比等特点,在精密仪器中获得了广泛的应用.———————————————————参考文献:
〔1〕
赵保经.简明集成运算放大器应用手册[M].科学出版社,1989.
〔2〕
蔡明生.电子设计[M].高教出版社,2004.(责任编辑
白海龙)
103