仪表放大器(英语:instrumentation amplifier 或称精密放大器简称 INA),差分放大器的一种改良,具有输入缓冲器,不需要输入阻抗匹配,使放大器适用于测量以及电子仪器上。

 


仪表放大器电路的典型结构如下图所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中,运放 A1,A2 为同相差分输入方式,同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗,减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差模信号放大,而对共模输入信号只起跟随作用,使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比 CMRR)得到提高。

 


这样在以运放 A3 为核心部件组成的差分放大电路中,在 CMRR 要求不变情况下,可明显降低对电阻 R3 和 R4,Rf 和 R5 的精度匹配要求,从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在 R1=R2,R3=R4,Rf=R5 的条件下,上图电路的增益为:G=(1+2R1/Rg)Rf/R3。由公式可见,电路增益的调节可以通过改变 Rg 阻值实现。

 

仪表放大器典型应用


1、高边监视器

最简单的高边监视器通常需要一个精密运算放大器和一些精密电阻,常见的高边测量都采用经典的差分放大器(用作增益放大和高边到地的电平转换,见图6)。虽然很多应用中也会使用分离电路,但其输入阻抗较低,而且电阻之间有较大差异。电阻的匹配必须非常精确才能获得可接受的共模抑制比,任一个电阻值存在0.01%的偏差都将使CMRR降低到86dB;如果偏差为0.1%,将使CMRR降低到66dB;而1%的偏差将使CMRR降低到46dB。选择仪表放大器结构时,有一个需要特别关注的参数,即在放大器任何输出摆幅下,输入共模电压的范围均应包括高边电压加上一个安全裕量。


2、电平转换器

此电路的工作原理可以这样来理解,将MAX4198看作一个三输入求和放大器(如图7所示),其电压传输函数为Vout=Vb-Va+Vshift,此式表明,输出由差分信号与REF输入电压的代数和所决定,VREF可为任意值,它不会使MAX4198的放大器输出饱和,MAX4194也适合作一个精密放大器,它可以很方便地配置成如下固定增益:-1、2或±1。


3、应力测量

三运放拓扑的真正优势是其能够进行真正的差分测量(很高的CMR),同时又有非常高的输入阻抗,这些特点使其得到了广泛应用,特别是在信号源阻抗非常高的场合。为使信号源对地的漏电流达到最小,本例采用了一些防护技术,信号源电缆采用屏蔽电缆,并将其屏蔽隔离层接到(Vcm+ΔV/2)。图8给出了一个包括惠斯通电桥传感器的放大电路,对该电路的电桥阻抗可适当减小,并不会降低仪表放大器的CMR值。