如何构建仪表放大器

    仪表放大器是在有噪声的环境下放大小信号的器件。它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大。仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这个性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。

    典型的被测信号可以是生物信号，如心电图（ECG）信号或者是来自诸如惠斯登电桥等传感器的微弱信号。由于这些信号源常常具有几千欧姆或更高的输出阻抗，因此仪表放大器需要具有很高的输入阻抗（典型数值在千兆欧姆级）。此外，由于仪表放大器往往要驱动输入阻抗很低的后级电路，如A/D转换器等，因此要求仪表放大器的输出阻抗很低。仪表放大器工作频率通常在直流到1 MHz之间，而在MHz级的速度下，输入电容比输入电阻更为重要，因此这类应用要考虑使用差分放大器。这种差分放大器输入阻抗较低，但速度要快很多。

    常见仪表放大器

    · 差动放大器

    差动放大器不是仪表放大器，但是有时可以用在仪表放大器的场合。其电路只需一个运算放大器，如图1所示。在对高输入阻抗或者增益没有苛刻要求的场合，使用它是很方便的。

 
图1 运算放大器电路

    该电路的传递函数为：

    Vout=R1/R2(VA-VB)

    这一传递函数是在理想运算放大器和理想电阻器匹配条件下得出的。然而，当电阻不完全匹配时，同相放大电路和反相放大电路的传递函数不相等，就会有共模信号泄露出来。以0.1%的电阻匹配误差为例，最差情况下CMRR为54 dB，即10 V的共模信号会产生20 mV的输出误差。

    差动放大器的优点是结构简单，最主要的缺点是输入阻抗很低。由于增益由R1/R2决定，因此需要在高增益和高输入阻抗间做出折中。此外，将信号分压变小后再进行放大（如同相通路），并不是获得良好噪声性能的方法。对于反相通路而言，加入了额外的电阻，并且反相放大电路的噪声增益总比信号增益高。提高输入阻抗就要求增加电阻的数值，这样将会产生更多的噪声。最后，共模抑制比也受到限制。为了改善这些缺点，第一步是对输入进行缓冲，这样就解决了输入阻抗的问题，如图2所示。

图2 加缓冲的差动放大器

    在对输入进行缓冲的同时，如果引入一些增益，除了可以得到高阻抗，还会产生很好的噪声性能，如图3所示。

图3 引入增益的带缓冲的差动放大器

    电路中差动放大器的噪声仍然存在，但折算到输入端时噪声要除以第一级的增益。由于可以使用阻值非常小的电阻器，因此第一级的噪声可以做得非常低，而且不影响输入阻抗。这种结构的另外一个好处是在高增益时有较宽的带宽。原因是电压反馈放大器具有一定的增益带宽乘积，通过把增益分散到两级放大器，可使每一级的增益比较低，降低差动放大器级的增益，从而不会被增益带宽乘积所限制。然而还有一个没解决的问题就是共模抑制比。图3的电路将共模信号和差分信号都放大了，而所有的共模抑制都在差分放大级实现，因此，很容易超过第一级的输入电压范围。

    ·三运放仪表放大器

    将图3中第一级放大电路中的接地点去掉来解决共模抑制的问题，从而构成三运放结构仪表放大器，如图4所示。

图4 三运放仪表放大器