浅析仪表放大器的发展与应用趋势

发布：2018-12-18 | 点击：人次

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随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用，而作为一种精密差分电压放大器，仪表放大器在电子技术领域的应用场景也愈加的丰富。

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、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，适用于压力或温度测量等各种应用领域。它的主要作用包括信号放大和阻抗适配。利用差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，仪表放大器能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大。其关键参数是共模抑制比，这个性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。

在许多情况下，仪表放大器具有参考输入引脚。在参考引脚上增加电压会使输出信号升高同等电压。这样就能简单精确地将仪表放大器的输出调整到ADC所需的输入电平，从而可以使用ADC的完整输入范围，同时提高分辨率。在具有高共模信号的情况下，另一优势是极为出色的共模抑制比和高精度。

然而，设计工程师在使用它们时，却经常会出现不当使用的情形。具体来说，尽管现代仪表放大器具有优异的共模抑制CMR，但设计工程师必须限制总共模电压及信号电压，以避免放大器内部输入缓衝的饱和。然而，设计工程师经常忽略此一要求。

其常见的应用问题多是由以下因素所引起的：以高阻抗源驱动仪表放大器的基准端；在增益很高的情况下，操作低供应电压的仪表放大器电路；仪表放大器输入端与交流耦合，但却没有提供直流对地的返回路径；使用不匹配的RC输入耦合元件。

满足不同需求的不同拓朴结构

仪表放大器的内部架构各不相同，具体取决于仪表放大器的zui终应用目标和预定用途。每种架构相对于其它架构而言都有各自的优缺点。例如，传统三运放仪表放大器会限制共模电压范围，因此不适合接地传感应用。而且其共模抑制比(CMRR)受电阻器匹配要求限制。

另一方面，电流反馈拓朴结构提供与电阻器未匹配无关的CMRR，它可以具备接地传感功能，而无需增加可能会产生大量噪声的电荷泵。结合了自动归零和斩波技术的电流反馈拓朴结构，在需要进行精确测量的应用领域具有极多优势。

仪表放大器快速入门

仪表放大器是具有差分输入和单端输出的死循环增益电路区块。仪表放大器一般还有一个基准输入端，以便让使用者可以对输出电压进行上或下的位准移位(level-shift)。使用者还可以一个或多个的内部或外部电阻来设定增益。

仪表放大器与运算放大器对比

对许多应用来说，要从噪声、嗡嗡声或直流偏移电压背景中提取出微弱的信号，CMR特性非常重要。运算放大器和仪表放大器都具有某种CMR特性。但是，仪表放大器能阻止共模信号出现在放大器的输出端。而运算放大器虽然也有CMR，但共模电压通常会以单一增益(unity gain)，随着信号传送到输出端。

大多数仪表放大器采用3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。

从发明至今，仪表放大器经历了漫长的发展过程，zui初是采用两运放和三运放大器的传统仪表放大器，或者是简单的差动差分放大器(DDA)。它们具有不同的拓朴结构，用于满足来自各种不同应用领域的广泛需求。

美国ADI 公司*个研制成功了单片集成仪表放大器。以AD620为例，绝对值的校准使用户仅用一个电阻就能对增益进行校准，在G = 100 时准确度为0.15 %。单片结构和激光晶片修整技术使电路中的元件紧密匹配，并保证了该电路固有的高性能。

长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。

在经过多年的研发之后，仪表放大器形成了多种特点，如：高共模抑制比、高输入阻抗。、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差、充裕的带宽、具有“检测”端和“参考”端，这也是我们辨识仪表放大器的重要标准和依据。

同时，随着应用和数据转换器中都使用低电压对信号进行了数字化处理，CMOS工艺在仪表放大器领域有了较大的发展。基于CMOS工艺的仪表放大器，具有同等双极和JFET仪表放大器所无法比拟的优点。

如今，随着科学技术的发展，仪表放大器正广泛应用于马达控制、热偶和桥式传感器到电流传感和医疗仪表应用(如ECG和EEG)等各类不同的市场。

据Databeans统计，放大器市场在2008年已经超过25亿美元，而且全球市场预计将以每年8%的速度增长。纵观半导体行业的信号链，现实世界中的温度、压力、湿度、速度、流量，声音等模拟信号，要经过数字化处理，其中包括各式各样的数据转换器、各式各样的数字信号处理器以及不可或缺电源治理芯片。其中，放大器基本处于信号链的zui前端，实施对模拟信号的处理。作为其中的一个重要分支，仪表放大器产业发展空间十分广阔！

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