儀表放大器原理

儀表放大器（英語：instrumentation amplifier或稱精密放大器簡稱INA），差分放大器的一種改良，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，使放大器適用于測量以及電子儀器上。特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環(huán)增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗。儀表放大器用于需要精確性和穩(wěn)定性非常高的電路。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運算放大器，且優(yōu)于運算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號放大、高速信號調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸入和相對參考端的單端輸出。與運算放大器不同之處是運算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的2個差分輸入端施加輸入信號，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻預(yù)置。

儀表放大器組成

雖然儀表放大器在線路圖上是一顆運算放大器；但實際上是由三顆運算放大器所組成（如圖一所示）；儀表放大器分成兩個部分，輸入端的兩個電壓跟隨器提供輸入端（+，?）高輸入阻抗，后級則是差分放大器，用來做兩個輸入端的差分放大；不過，通常第二級的差分放大器的增益會設(shè)計為1，也就是只做兩個電壓的相減運算。

其中，運放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減;差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。這樣在以運放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=（1+2R1/Rg）Rf/R3。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)。