单电源仪表放大器电路

仪表放大器将两个信号的差值放大。典型的差模信号来自传感器件,诸如电阻桥或热电偶。图1示出了仪表放大器的典型应用,来自电阻桥的差模电压被AD620(低功耗,低成本,集成仪表放大器)放大。在热电偶和电阻桥的应用中,差模电压总是相当小(几毫伏到十几毫伏)。而两个输入端输入的同极性、同幅值的电压约为2.5V,还有对测量无用的共模分量,所以理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值,任何共模分量都必须被抑制。事实上,抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。实践中,仪表放大器从没有彻底抑制掉共模信号,输出端总会有一些残余成份。

共模抑制比(CMRR)是用来衡量共模信号被放大器抑制程度的一个综合指标,它由下式定义

图1 在一个典型的仪表放大器的应用中,输入共模电压由来自桥的直流偏压(VS/2)和输入线中检拾的任何共模噪声组成。共模电压的一部分总会出现在仪表放大器的输出端。

式中的Gain是放大器的差模增益,Vcm是输入端存在的共模电压,Vout是输入共模电压在输出端的结果。

代入具体值,如AD620集成仪表放大器所设置增益为10时,CMRR为100dB,图1中共模电压为2.5V,由(1)式求出它在输出端的电压为250m V。有上面设定,注意到由输入和输出失调电压所引起的输出电压约为1.5mV,这说明作为误差源,CMRR并没有失调电压重要。至此,只讨论了直流信号的共模抑制比。

交流和直流共模抑制比

在图1中,共模信号可以是稳态的直流电压(如来自电桥的2.5V电压),或是来自外部干扰。在工业应用中,最普通的外部干扰从50Hz/60Hz输电干线检拾而来(例如来自照明灯,电机或任何在输电干线上运行的设备)。在不同的测量应用中,仪表放大器输入端的干扰基本相等,因此在这里干扰信号也被看作共模信号,被叠加在输入直流共模电压上,在输出端得到的是这个输入共模信号的衰减形式,衰减程度取决于该频率下的CMRR。

虽然直流失调电压可以通过微调和校准轻易除去,而输出端的交流误差却很麻烦。例如,如果输入回路从输电干线检拾到50Hz或60Hz的干扰,那么输出端的交流电压会降低整个应用的分辨度。滤除干扰代价很昂贵,并且仅在对速度要求不高的应用中才可行。显然,整个频率范围内的高共模抑制有助于减小外部共模干扰的影响。

所以,实践中在整个频率范围内来讨论CMRR比讨论它在直流时的情况要有意义得多。集成仪表放大器数据手册列出了在50Hz/60Hz时的CMRR,图解部分给出CMRR随频率变化的曲线(见图2)。

图2表明AD623(低价格集成仪表放大器)CMRR在频率范围内变化的情况。100Hz以前保持平坦,之后(大于100Hz)开始下降,可以看出,50Hz/60Hz电网干扰会被很好的抑制。还要注意电网频率的谐波干扰,在工业环境中,电网频率谐波可以达到第七谐波(350Hz/420Hz)。此时,CMRR降到大约90dB(增益为10)。这使得- 70dB的共模增益仍足以抑制大多数共模干扰。

不同结构的仪表放大器

现在考察仪表放大器的不同结构,结构的选择和无源元件的精确度会影响交直流的CMRR。3.1 二运放仪表放大器

图3是一个基本二运放仪表放大器的电路图,差模增益可由式(2)给出

(2)

这里R1=R4,R2=R3,如果R1=10kΩ,R2=1kΩ,差模增益为11,从式(2)可知,根本不可能使编程增益为1。

3.1.1 二运放仪表放大器的共模增益

直流共模电压引起的输出电压由式(3)给出

运用式(1),可得电路的CMRR的表达式为

因为分母中的电阻比总是接近1,不需要考虑仪表放大器的增益,我们可得到,二运放仪表放大器的CMRR随差模增益的增加而增加。

在上述电阻网络中,由于存在误差,实际电阻值不可能完全等于标称值,即存在失配,可以将R1R3的实际值比它与R2R4之差值的百分率定义为失配。式(4)可以改写为

式中Mismatch为失配率。

编程增益的四个电阻间的任何不匹配都会直接影响CMRR。在环境温度下,精密的电阻网络通过微调可以达到最大精确度。电阻的温度漂移造成的任何失配都会加剧CMRR的降低。

显而易见,高共模抑制的关键是电阻网络,因此电阻比和相对应的漂移两者都要很好的匹配,而电阻的绝对值和他们的绝对漂移却不重要,关键在于匹配。

集成仪表放大器特别适合于增益编程电阻的比值匹配和温度跟踪。制作在硅片上的薄膜电阻的最初容差达到± 20%,制作过程中的激光修整使电阻间的比例误差减小至0.01%。此外,各薄膜电阻值和温度系数之间的相关变化很小,通常小于3×10- 6/℃。

图4说明在环境温度下电阻失配的实践结果。图3中,电路CMRR的测量(增益为11)用到4个电阻,其失配约为0.1%(R1=9999.5Ω,R2=999.76Ω,R3=1000.2Ω,R4=9997.7Ω)。直流CMRR的值约为84dB(理论值为85dB),当频率增