单电源仪表放大器电路

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),当频率增加时,CMRR迅速下降。图4同时给出了电网干扰的输出电压的示波器波形。180Hz时200mV(峰-峰)谐波引起的输出电压约为800m V。由上述设定,一个输入范围为0～2.5V的12位数据采集系统的1sb权重为610mV。

A1同相端的Vin- 信号经A1后产生的相移或延时将导致Vin- 和A1的输出信号间出现向量误差,引起整个频率范围内CMRR的降低。为保证一定的CMRR,Vin- 和A1输出端的共模信号应有相同的相位和幅度,这只有在A1没有延时时才可能做到。选择一个匹配的高速双运放可以扩展频率范围,从而使CMRR保持平坦,但另一方面,高速运放会检拾外部高频干扰。另一个解决方法是在A1的反相输入端和地端之间接一个微调电容,缺点是必须手动微调。

所以图4的CMRR(在频率范围内)受两个截然不同的参数的影响。在低频时,CMRR与编程增益电阻的失配直接关联,高频时,运放的差模闭环增益引起CMRR的降低。

3.1.2 二运放仪表放大器的共模范围

二运放仪表放大器的输入共模范围受编程增益的影响。图3中,A1工作在闭环增益为1.1时,输入端的任一共模电压都被放大(即输入共模电压经1.1倍放大后出现在A1的输出端)。

现在讨论仪表放大器可编程增益为1.1时的情况(R1=1kΩ,R2=10kΩ,R3=10kΩ,R4=1kΩ)。A1的闭环增益为11,因为共模电压会被放大,所以输入共模范围受A1输出摆动幅度的严格限制。在应用中,强制性使用低电压引起的问题特别严重,这种情况下,运用满幅度放大器会增加一些摆动范围以缓解这个问题。

三运放仪表放大器

图5是三运放仪表放大器的结构,是分离和集成仪表放大器最常选的结构。整个增益的传输函数很复杂,当R1=R2=R3=R4时,传输函数可以简化为

(6)

R5和R6设置为相同值(通常在10～50kΩ)。简单地调节RG的值,电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。

3.2.1 三运放仪表放大器的共模增益

如所期望的,仪表放大器的共模增益的理论值为0。为计算共模增益,设定输入端只有一个Vcm共模电压(也即Vin+=Vin-=Vcm)。RG上没有电压降,A1,A2的输出电压也等于Vcm,设A1和A2理想匹配,因此第一个近似值即第一级共模增益等于单位值并独立于编程增益。

假定运放A3是理想的,第二级共模增益由式(7)得到

代入式(1),共模抑制比就变为式(8)

式中的分母比二运放仪表放大器时复杂得多,而正如式(4)所示,分母可用电阻的失配百分率来表示,即

在式(8)中,如果4个电阻都相等(或R1=R3,R2=R4),其分母就会变为0,而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。与二运放仪表放大器相似：任何电阻间温度漂移的失配都会降低CMRR。

3.2.2 三运放仪表放大器的交流CMRR

如果A1,A2很好的匹配(即相同的闭环带宽),CMRR就不会像二运放那样迅速下降。对比一下图2和图4,三运放仪表放大器的CMRR在100Hz之前相对平坦,而二运放仪表放大器的CMRR在大约10Hz时就开始降低。

3.2.3 三运放仪表放大器的共模范围

三运放仪表放大器的第一级共模增益为单位值,共模电压原封不动的出现在图5中A1,A2的输出端,而差模输入电压(Vdiff)降落在增益电阻上,结果电流流过R5,R6,这意味着当输入差模电压增加时,A1的电压将高于Vcm,A2的电压将低于Vcm。因此,当增益和(或)输入信号增加时,A1,A2的电压范围也会增加,最终被电源电压的范围所限制。可以知道,共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关联的。例如,增加增益会减小共模范围和输入电压范围,同样,增加共模电压会限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已知,那么就能很好地表示输入范围,共模范围和增益之间的关系,以服务于特殊的三运放仪表放大器。

工业应用中运用低电源电压时,可用的摆动范围也越来越少。至于二运放仪表放大器,可以用满幅度运放来解决这个问题,三运放仪表放大器中,因为过度的输入电压、共模电压或增益会削减输入级(A1,A2)的输出电压,所以满幅度输出级(A3)在这里根本起不了什么作用。

3.2.4 低共模应用中优化的单电源三运放仪表放大器

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