幾乎所有傳感器都會將真實(shí)世界里的物理量轉(zhuǎn)換為電路系統(tǒng)中的電壓值，比如光，溫度和質(zhì)量等。而電平的變化能幫助我們分析/測量這些物理量，但在生物醫(yī)學(xué)層面的傳感器上，電平變化可能很小（低電平信號），而持續(xù)追蹤每分鐘的變化從而得到可靠數(shù)據(jù)又非常重要。這時(shí)我們就需要用到儀表放大器。

 

儀表放大器也被稱為INO，正如名字所示，它會放大電平的變化并像其他運(yùn)放一樣提供一個(gè)差分輸出。但和其它普通放大器不同的是，當(dāng)以完全差分輸入的共模噪聲抑制時(shí)，儀表放大器會有著較高的阻抗和不錯(cuò)的增益。現(xiàn)在不理解沒有關(guān)系，這篇文章會帶你理解儀表放大器，考慮到儀表放大器的IC比普通運(yùn)放要貴，我們來了解一下如何用普通的運(yùn)放比如LM385或LM324來打造一個(gè)儀表放大器。

 

儀表放大器的IC是什么？

 

除了平常的運(yùn)算放大器IC之外，我們還有一些特殊的儀表放大器IC比如INA114,。但它也不過是幾個(gè)尋常運(yùn)算放大器結(jié)合起來用于特殊情況而已。為了理解，我們從INA114的規(guī)格書里看下它的內(nèi)部電路圖。如圖所見，IC會接收兩個(gè)信號電壓Vin-和Vin+，我們將其分別比作V1和V2。則輸出電壓V0可以用以下公式

 

V0=G（V2-V1）

 

其中G是運(yùn)算放大器的增益，我們可以用外部電阻RG來計(jì)算。

 

G=1+（50kΩ/RG）

 

注意：其中的50kΩ只用于INA114，因?yàn)樗褂玫氖?5kΩ的電阻（25+25=50）。不同IC你可以根據(jù)其中不同的電路來分別計(jì)算。

 

所以其中的運(yùn)算發(fā)達(dá)器只提供兩個(gè)電壓源間的電平差，而外部電阻則決定其增益。

 

這正是差分放大器的原理，比如上圖中的A3。所以我們也可以將儀表放大器看做是另一種類型的差分放大器，但它擁有許多優(yōu)勢，比如高輸入阻抗和簡單的增益控制等。這些優(yōu)勢則由另外兩個(gè)運(yùn)算放大器來決定的（A2和A1）。

 

理解儀表放大器

為了完全理解儀表放大器，讓我們看看下面幾個(gè)運(yùn)放的圖。

 

 

如你所見，儀表放大器是由兩個(gè)緩沖放大器和一個(gè)差分放大器組成的。

 

差分放大器和儀表放大器的區(qū)別

 

差分放大器的劣勢在于輸入電阻造成的輸入阻抗低，同時(shí)還有高共模增益造成的低共模抑制比（CMRR）。而在儀表放大器內(nèi)，因?yàn)榫彌_電路的存在，這些都被克服了。

 

同時(shí)在差分放大器中，我們需要改變大量電阻來改變放大器的增益值，但儀表放大器內(nèi)，我們只需改變一個(gè)電阻的阻值就可以控制增益。

 

使用運(yùn)算放大器（LM358）的儀表放大器

 

現(xiàn)在讓我們用運(yùn)算放大器打造一個(gè)實(shí)際的儀表放大器來看看它的工作原理吧。該儀表放大器的電路如下。

 

 

該電路需要3個(gè)運(yùn)算放大器，我用了兩個(gè)LM358。因?yàn)長M358其中有兩個(gè)運(yùn)算放大器，所以只需要兩個(gè)LM358即可。當(dāng)然你也可以用三放大器的LM741或者是四放大器的LM324。

 

在以上的電路中，U1:A和U1:B兩個(gè)運(yùn)放用于電壓緩沖，從而實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗。運(yùn)放U2:A則作為差分放大器。既然差分放大器的所有電阻都是10kΩ，而輸出電壓的淡雅差為3號引腳與2號引腳間的電平差。儀表放大器的電路輸出如下式：

 

Vout=（V2-V1）（1+（2R/Rg））

 

其中R=電路中的電阻。這里R=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ

Rg=增益電阻。這里Rg=R1=22kΩ

 

所以等式的右邊括號內(nèi)其實(shí)也就是放大器的增益，由R和Rg決定。

 

儀表放大器的仿真

 

以上電路的仿真結(jié)果如下

 

 

 

我們可以看出輸入電壓為V1=2.8V，V2=3.3V。R的值為10kΩ，而Rg的值為22kΩ。將這些值代入上面的等式可得

 

Vout=（3.3-2.8）（1+（2x10/22））=0.95V。

 

仿真結(jié)果與計(jì)算值匹配。所以上述電路的增益為1.9，而電平差為0.5V。

 

同樣你還可以發(fā)現(xiàn)V1和V2的輸入電壓似乎穿過了電阻Rg，這是由于U1:A和U1:B的負(fù)反饋。這確保了Rg兩端的壓降等于V1和V2間的電平差，同樣使得流經(jīng)R5和R6的電流相同，這樣U2:A的引腳2和引腳3上的電壓差也相同，若是你測量這兩個(gè)電阻前U1:A和U1:B的輸出電壓，你會發(fā)現(xiàn)兩者的電壓差與仿真輸出結(jié)果相同。

 

儀表放大器電路的硬件測試

 

以上都是理論，我們用實(shí)際的電路來測試一下，連接方式與結(jié)果如下。

 

 

萬用表測得的結(jié)果為0.952伏，與我們的理論值相符。

 

你還可以改變R1的值來改變增益，而這種改變一個(gè)電阻阻值來改變增益的方式常用于音頻電路中。