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几乎所有传感器都会将真实世界里的物理量转换为电路系统中的电压值,比如光,温度和质量等。而电平的变化能帮助我们分析 / 测量这些物理量,但在生物医学层面的传感器上,电平变化可能很小(低电平信号),而持续追踪每分钟的变化从而得到可靠数据又非常重要。这时我们就需要用到仪表放大器。
 
仪表放大器也被称为 INO,正如名字所示,它会放大电平的变化并像其他运放一样提供一个差分输出。但和其它普通放大器不同的是,当以完全差分输入的共模噪声抑制时,仪表放大器会有着较高的阻抗和不错的增益。现在不理解没有关系,这篇文章会带你理解仪表放大器,考虑到仪表放大器的 IC 比普通运放要贵,我们来了解一下如何用普通的运放比如 LM385 或 LM324 来打造一个仪表放大器。
 
仪表放大器的 IC 是什么? 

除了平常的运算放大器 IC 之外,我们还有一些特殊的仪表放大器 IC 比如 INA114,。但它也不过是几个寻常运算放大器结合起来用于特殊情况而已。为了理解,我们从 INA114 的规格书里看下它的内部电路图。如图所见,IC 会接收两个信号电压 Vin- 和 Vin+,我们将其分别比作 V1 和 V2。则输出电压 V0 可以用以下公式
 
V0=G(V2-V1)
 
其中 G 是运算放大器的增益,我们可以用外部电阻 RG 来计算。
 
G=1+(50kΩ/RG)
 
注意:其中的 50kΩ只用于 INA114,因为它使用的是 25kΩ的电阻(25+25=50)。不同 IC 你可以根据其中不同的电路来分别计算。
 
所以其中的运算发达器只提供两个电压源间的电平差,而外部电阻则决定其增益。
 
这正是差分放大器的原理,比如上图中的 A3。所以我们也可以将仪表放大器看做是另一种类型的差分放大器,但它拥有许多优势,比如高输入阻抗和简单的增益控制等。这些优势则由另外两个运算放大器来决定的(A2 和 A1)。
 
理解仪表放大器
为了完全理解仪表放大器,让我们看看下面几个运放的图。
 


 
如你所见,仪表放大器是由两个缓冲放大器和一个差分放大器组成的。
 
差分放大器和仪表放大器的区别
差分放大器的劣势在于输入电阻造成的输入阻抗低,同时还有高共模增益造成的低共模抑制比(CMRR)。而在仪表放大器内,因为缓冲电路的存在,这些都被克服了。
 
同时在差分放大器中,我们需要改变大量电阻来改变放大器的增益值,但仪表放大器内,我们只需改变一个电阻的阻值就可以控制增益。
 
使用运算放大器(LM358)的仪表放大器 
现在让我们用运算放大器打造一个实际的仪表放大器来看看它的工作原理吧。该仪表放大器的电路如下。

 

 


 

该电路需要 3 个运算放大器,我用了两个 LM358。因为 LM358 其中有两个运算放大器,所以只需要两个 LM358 即可。当然你也可以用三放大器的 LM741 或者是四放大器的 LM324。
 
在以上的电路中,U1:A 和 U1:B 两个运放用于电压缓冲,从而实现高输入阻抗。运放 U2:A 则作为差分放大器。既然差分放大器的所有电阻都是 10kΩ,而输出电压的淡雅差为 3 号引脚与 2 号引脚间的电平差。仪表放大器的电路输出如下式:
 
Vout=(V2-V1)(1+(2R/Rg))
 
其中 R=电路中的电阻。这里 R=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ
Rg=增益电阻。这里 Rg=R1=22kΩ
 
所以等式的右边括号内其实也就是放大器的增益,由 R 和 Rg 决定。
 
仪表放大器的仿真

以上电路的仿真结果如下
 
 

 
 
我们可以看出输入电压为 V1=2.8V,V2=3.3V。R 的值为 10kΩ,而 Rg 的值为 22kΩ。将这些值代入上面的等式可得
 
Vout=(3.3-2.8)(1+(2x10/22))=0.95V。
 
仿真结果与计算值匹配。所以上述电路的增益为 1.9,而电平差为 0.5V。
 
同样你还可以发现 V1 和 V2 的输入电压似乎穿过了电阻 Rg,这是由于 U1:A 和 U1:B 的负反馈。这确保了 Rg 两端的压降等于 V1 和 V2 间的电平差,同样使得流经 R5 和 R6 的电流相同,这样 U2:A 的引脚 2 和引脚 3 上的电压差也相同,若是你测量这两个电阻前 U1:A 和 U1:B 的输出电压,你会发现两者的电压差与仿真输出结果相同。
 
仪表放大器电路的硬件测试 
以上都是理论,我们用实际的电路来测试一下,连接方式与结果如下。
 


 
万用表测得的结果为 0.952 伏,与我们的理论值相符。
 
你还可以改变 R1 的值来改变增益,而这种改变一个电阻阻值来改变增益的方式常用于音频电路中。