仪表放大器选用与分析

仪表放大器（又称测量放大器）测量噪声环境下的小信号。噪声通常是共模噪声，所以，当信号是差分时，仪表放大器利用其共模抑制(CMR)将需要的信号从噪声中分离出来。 在这些应用中，信号源的输出阻抗常常达几kΩ 或更大，因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在DC 到约1 MHz 之间。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。 运放的关键参数 设计工程师确定放大器时，主要关心的是电源电流、–3dB 带宽、共模抑制比(CMRR)、输入电压补偿和补偿电压温漂、噪声(指输入)以及输入偏置电流。 三运放仪表放大器的内部结构 大多数仪表放大器采用3 个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器(图 1a)。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。 图1 二运放仪表放大器结构 可以采用具有两个运放的较少元器件的结构替代(图 1b)，但有两个缺点。首先，不对称的结构使CMRR 较低，特别是高频时。其次，由于第一级的增益量有限。输出误差反馈回输入端，导致相对输入的噪声和补偿误差更大。 如何保护仪表放大器的输入免受过电压的影响？ 设计师需要采用外部限流电阻来防止过电压通过内部静电放电(ESD)箝位二极管驱动过高的电流。这些电阻的值取决于仪表放大器的噪声水平、电源电压，以及需要的过压保护，推荐值见器件的datasheet。 这些电阻增加了噪声，所以一种可替代的方案是使用外部高电流箝位二极管和阻值非常小的电阻。遗憾的是，大多数普通二极管的漏电流太大，会产生大的输出漂移误差，该误差随温度变化呈指数关系增加，所以设计师不应该将标准二极管用于高阻抗信号源。 什么是 RFI 整流？如何预防？ 传感器与仪表放大器之间的长引线会引起 RF。仪表放大器随之将此 RF 整流为 DC 偏移。图 2 给出了一个方案，可在 RF 到达仪表放大器前就将其滤掉。元件 R1a 和 C1a 在同相端构成一低通滤波器，R1b 和 C1b 在反相端同样构成低通滤波器。 图 2 这两个低通滤波器截止频率的很好匹配很重要。否则，共模信号将会被转换为差分信号。C2 在高频段将输入―短路‖，能在一定程度上降低这种要求，C2 值的大小应该至少为 C1 的 10 倍。 虽然如此，C1a 和 C1b 的匹配仍很关键，应该选用±5% C0G 薄膜电容。该滤波器的差分带...