共模抑制和仪表放大器

源三运放仪表放大器

图6 AD623采用典型三运放仪表放大器的结构。通过给两个输
入端上偏0.6V电压，即使在极低共模电压下也可单电源工作。

　　图6是AD623（低耗单电源满幅度仪表放大器）的简图，沿用传统的三运放仪表放大器结构，在用作输入级运放之前，正反相输入电压通过一个PNP管，电压上偏了0.6V。

　　要理解电平偏移的重要性，先要考虑仪表放大器工作的通常条件。图7示出了AD623的一个典型应用，仪表放大器放大的信号来自一个J型热电偶， 仪表放大器连同A/D转换器共同由+5V单电源供电。此应用中。所测温度范围从－200～+200℃，相应的热电偶的电压范围为－ 7.890～10.777mV。

图7 AD623的输入级电平偏置非常适用于单电源低共模应
用。温度范围为- 200～+200℃，J型热电偶的电压范围从
- 7.890～10.777mV。91.9的增益使仪表放大器的输出电压
范围为1至3V（即2V±1V），输出端与单电源供电的
AD7776A/D转换器相接。

　　如通常一样，热电偶的一端接地，使偏置电流流入仪表放大器。因此，同相、反相输入电压中间的共模电压非常接近地电平。实际上，从热电偶而来的电压开始变负时，有效共模电压也变负。

　　在传统的三运放仪表放大器中，当热电偶电压开始大于零时，输入级的电压扩展效果会导致输入级的一个运放的输出电压变 为地。图6的电平偏置结构通过有效的在共模电压上加0.6V，避免了这个问题，从而对地有更多的摆动范围，并且使A1和A2满幅度运放的输出电压处于线性 区域，即使输入电压和共模电压低于地电平。输入电压可以负到150mV，这由编程增益和共模电压控制。

　　在此例中，仪表放大器的设置增益为91.9（RG=1.1kΩ），基准脚的电压设为2V，只要热电偶电压处在温度为 －200～+200℃间变化，仪表放大器的输出电压范围就为1.274～2.990V（对地），这个电压摆动范围很适合A/D转换器的输入电压范围（2V ±1V）。

　　3.2.5 单电源二运放仪表放大器在低共模电压中的应用

　　加一个Vbe电压降使共模电压升高的方法可应用于二运放仪表放大器。图8是AD627的简图，它是一个集成二运放仪表放大器，运用特殊技术来获 得整个频率范围内的高CMRR。必须指出，对于三运放仪表放大器而言，必须注意补偿内部节点电压，避免信号饱和，这在单电源应用中格外严格。一般说来，最 大增益由输出有效信号的范围决定（反相通道大于50mV，同相通道为100mV以内）。而在输入共模电压接近或等于零的单电源应用中，编程增益有一定限 制。当输入、输出和基准引脚（REF）的电压范围由技术说明所规定时，这些引脚的电压范围是互相影响的。在图8中，由含有共模分量Vcm的差模电压 Vdiff驱动，运放A1输出端电压是Vdiff、Vcm、Vref引脚电压和编程增益的函数：

　　VA1=1.25（Vcm +0.5V）- 0.25Vref -Vdiff（25kΩ/RG－0.625）

　　也可用-IN和+IN（V－和V+）脚上的实际电压来表示：

　　VA1=1.25（V－+0.5V）- 0.25Vref -（V＋ -V－）25kΩ/RG

　　A1的输出电压在反相通道为50mV以内，同相通道为200mV以内摆动，上述等式可用以验证A1的电压是否在此范围内。从以上任何一个等式可 以看到，当Vref作为AD627的输出(A2)正偏置增加时，A1的输出电压会减小。此外，增加输入共模电压会增加A1的输出电压。在共模电压较低的单 电源应用中，差模输入电压或REF上的电压太高会使A1的输出变为地电平。输入电压有效上偏0.5V（如T1和T2的Vbe）可以增加一些摆动范围。

　　表1给出AD627在不同单电源输入条件下的最大增益值，输出摆幅是根据REF脚上的电压得到的，REF上的电压已经被设置为2V或1V，以使增益和输出摆动范围最大。注意在很多情况下，使单电源电压值大于5V毫无好处（输入范围为0V至1V时除外）。

表1 AD627低共模单电源应用的最大增益

4 滤去高频共模信号

　　所有的仪表放大器都能校正高频中超出频带的信号，一旦校正，这些信号就变成直流失调误差出现在输出端。图9的电路提 供了一个很好的RFI抑制，在仪表放大器的通频带内不会降低性能。电阻R1和电容C1（同样R2和C2）组成一个低通RC滤波器，- 3dB带宽F=1/（2πR1C1），代入元件值，这个滤波器有大约40kHz的- 3dB带宽。电阻R1和R2要选择足够大，使电路输入与电容分离，但不能大到增加电路噪声的程度，为维持放大器通频带的共模抑制，电容C1和C2必须是± 5%乃至更好的元件，或经测试能提供很好匹配的低成本元件。

维持低频时的共模抑制，电容器C3是必需的。R1、R2和C1、C2构成桥电路，桥电路的输出与仪表放大器的输入相 接。C1，C2的任何失配都会导致桥电路失衡并减小共模抑制。C3确保任何RF信号为共