用于工业和医疗传感应用的高性能数据采集系统可以大致的被分为两类:1)低频高分辨率2)高频低分辨率。有关低频高分辨率的系统,为了达到最优性能前端放大器一般采用仪表放大器(见图1)。基本上,一个仪表放大器可以看做由三个独立的放大器组成,该放大器的两个输入端有独立的缓冲和输入阻抗,所以该放大器可以在低频高精度的测量系统中得到很好的应用(见图2)。使用低频高精度的仪器放大器时,由于过于复杂,系统稳定性很难达到。
 

图1 高性能数据采集系统(低频率,高分辨率)

 


            
图2 仪器用放大器(基于3个放大器结构)
 

图2中仪器放大器的传递函数为:


                        
输出放大器(包括R3和R2)是一个典型的差分放大器电路,其增益等于R3/R2、差分输入电阻等于2(R2)。两个输入放大器可以看做单位增益的缓冲器(把Rgain去掉后),整个放大器可以当做(设Rgain=无穷)增益为R3/R2的缓冲差分放大器(由上面的等式得到)。在两个输入放大器的反向端加入Rgain电阻后,输入信号差分增益增加而共模增益始终为1。这样可以提高电路的CMRR同时也使电路可以采集更大的共模信号。理想情况下,仅使用一个Rgain电阻增大整个电路的增益,相对于使用成对电阻,特别是在高增益电路中,这样可以消除电阻阻值匹配问题。这就是一个仪器放大器(使用一个Rgain结构)给系统设计带来的宽范围的灵活性。在图2中Rgain电阻可以使用程控开关选择多路电阻来代替,这样当系统增益需要调整时,相对于采用“成对电阻”依然有很好的灵活性。理想地,当Rgain的电压差为零(如果所有电阻是匹配的)、放大器输入电压偏置为零和放大器输入共模增益是匹配时,系统共模增益为零。
 

当然,宽范围的多种增益对设计是有重大意义的。记住,一个简化的单级放大器有一个恒定的增益带宽,比如,放大器在单位增益下带宽是1MHz (GBW= (1) (1MHz) =1MHz),如果放大器的增益被增大至10,那么理想情况下,它的带宽会减小至100kHz。在保持总数不变的情况下,每次增益的增加都会减小其带宽。图3示意了仪表放大器CLC1200在频率变化下典型的增益变化。在单位增益下CLC1200的带宽大约是1MHz,如果增益变为10,带宽会减小至100KHz,如果增益变为100,则带宽减小至10kHz,如果增益变为1000,带宽变为1kHz。但是在这个例子中,在增益为10的情况下,带宽大约是500kHz, 增益为100时带宽为100kHz,增益为1000时带宽为10kHz。当然,实际情况下,在GBW恒定时,对于一个单极点响应放大器的增益从1-1000变化是不可实现的。因此,传递函数中剩余的极点会导致在闭环响应中的额外尖峰,这对系统的误差裕量有影响,必须要控制。
 

图3 典型增益和频率响应(CLC1200)
 

图4 单位增益和频率响应对比

 


 
图5 标准化的增益和频率(尖峰和相位裕量)
 

图4给出了仪表放大器在单位增益情况下的频率响应。在这个例子中,CLC1200的频率响应比较平坦。增益的“尖峰值”决定了放大器的稳定性能。图5给出了标准化增益和标准化带宽的曲线。一个仪表放大器在尖峰约3dB处大约有45o(6dB相位裕量是30o)的相位裕量,该相位裕量是保证稳定的最小值。记住,增益尖峰对系统的性能有非常大的影响。频率尖峰在时域中会导致建立时间振铃。当一个放大器需要在时域内响应一个阶跃信号,输入阶跃信号的频率分量会被放大,从而导致额外的建立时间误差和振铃。同时,增益尖峰也会导致系统出现广泛的噪声频谱。
 

当然,当评估高精度仪表放大器的整体性能时,必须要理解以上的各个参数在系统误差裕量等级和有相应的解释。记住,正如我们以前所说的,虽然数据手册在选择一款放大器时是很有帮助的,但要得到最优的设计,必须在实际电路中模拟真实环境对以上参数进行测试。
 

英文版原稿可参考 用于工业和医疗传感应用的仪表放大器.pdf

 

Cadeka公司Craig Swing(凯歌)

 

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