仪表放大器

仪表放大器 (INA) 是一种非常特殊的差分输入放大器；其主要重点是提供差分增益和高共模抑制，INA 提供高输入阻抗和低输出阻抗。INA 的一般定义是配备一到三个内部运算放大器 (op amp) 的电路或设备，用于改善信号质量并增强共模抑制。

www.qwbaike.cn

共模就是相同的信号

共模噪声又称对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声。差分信号不是一定要相对地来说的，如果一根线是接地的，那他们的差值就是相对地的值了，这就是模拟电路中讲过的差分电路的单端输入情况。 www.qwbaike.cn

共模电压有直流的，也有交流的。直流的称为直流共模抑制（比），交流的称为交流共模抑制（比），统称共模抑制（比）。

一般的放大器特别是仪表放大器，有较好的直流共模抑制，但对交流共模抑制，频率一高往往就不行了----急剧下降，即频率响应不行。

www.qwbaike.cn

INA 可以很好地将差分信号转换为单端信号。单端信号只需要一根导线参考另一根导线，这意味着多个单端信号都参考同一条导线。这减少了设计中的电线数量。 单端信号很有用，因为许多模数转换器 (ADC) 应用需要单端信号才能运行。 因此， 对于采用传感器输入的系统，INA 可以很好地用作 ADC 驱动器。ADC 不能接受高共模电压；INA 通过降低共模电压来解决此问题，以便 ADC 能够运行。

www.qwbaike.cn

INA 的最后一级是差分放大器。这是放大器中抑制共模电压的部分。该阶段将两个输入信号相减。在独立的差分放大器中，R2 和 R4 相等，R1 和 R3 也相等；这些电阻器将设置增益。但在仪表放大器中，增益由输入级设置，因此对于 1 V/V 的增益，R1 至 R4 相等。我不讲理论，就是一些公式，在数学上面说明为什么可以把差模信号放大。

仪表放大器的REF引脚的作用，我以前不求甚解的写过这个文章，虽然粗糙，其实也说明白了。REF的引脚就是如名字一样，给输出的单端电压一个参考，这个就可以控制它的两个极值，最大和最小，不过这个不是无限的，要看数据手册的。 www.qwbaike.cn

上面这个图挺重要，意思是5V的电压下，在两个参考值下输入和输出的关系，有时候运放不工作就是因为输入的信号摆幅太小了。 www.qwbaike.cn

其实大家做的运放都一样，INA系列的数据手册都差不多，我随便找一个写，原理都一样的，现在说的是三运放结构。 www.qwbaike.cn

仪表放大器的后面部分是一个差分的放大器 www.qwbaike.cn

www.qwbaike.cn

多数应用不需要外部偏移调整；然而，如有必要，可以通过向 REF 端子施加电压来进行调整。图显示了用于微调输出失调电压的可选电路。施加到 REF 端子的电压在输出处求和。运算放大器缓冲器在 REF 端子处提供低阻抗，以保持良好的共模抑制。 www.qwbaike.cn

INA826 的输出电压是根据参考引脚上的电压而制定的。通常在双电源操作中，参考引脚连接到低阻抗系统接地。 www.qwbaike.cn

在单电源操作中，将输出信号偏移到精确的中间电源电平可能很有用（例如， 5V 电源环境中的 2.5V）。 例如，要实现此电平转换，请将电压源连接到 REF 引脚以对输出进行电平转换，以便 INA826 可以驱动单电源 ADC。 www.qwbaike.cn

为了获得最佳性能，请保持 REF 引脚的源阻抗小于 5 Ω。如功能框图部分所示，参考电阻器位于 50kΩ 电阻器的一端。REF 引脚处的额外阻抗会增加该 50kΩ 电阻。电阻比不平衡会导致共模抑制比 (CMRR) 降低。 www.qwbaike.cn

一般的信号均有源阻抗，此阻抗可以不同程度破坏电路的对称性，因此，用差分放大器时要小心它引起的误差。

显示了驱动低阻抗参考引脚的两种不同方法。OPA330是一款低功耗斩波稳定放大器，因此在整个温度范围内具有出色的稳定性。 www.qwbaike.cn

REF3225是采用小型 SOT23-6 封装的精密基准。这个REF3225的芯片挺牛逼的，10块钱一颗。

里面的INA8xx符合每一个仪表运算器的设计，不是针对一个特定的型号！！！！ 继续说这个REF的事情：

www.qwbaike.cn

一般为了平衡，R4电阻是上下一样的

www.qwbaike.cn

也就是R2和R4差分运算放大器A3充当减法器的输出电压，仅是其两个输入之间的电压差（V2 - V1），并且被A3的增益放大，该增益可能为1，单位为零（假设R3 = R4）。然后，对于仪表放大器电路的总电压增益，我们有一个通用表达式：仪表放大器公式 www.qwbaike.cn

我想说的是，R4就是控制的REF，假如R4变大，后面这个项就变大。也就是说Vout是大的输出。 www.qwbaike.cn

因此，它也会将减法器运放的输入拉向中间电源电压。来看一个AD家的东西，看REF，以及看这个封装，为了就是达到极度的平衡。

www.qwbaike.cn

好像是我们的计算模型里面，上下两个电阻是平衡的，所以不能超太多。然后你在REF上面加的东西，会变成阻抗，送回给正信号端口。接着就是信号的不平衡，导致我们的输出有问题。

后一级的放大器

www.qwbaike.cn

理想情况下，差分放大器电路中的电阻应仔细选择，其比值应相同 (R2/R1 = R4/R3)。 www.qwbaike.cn

这些比值有任何偏差都将导致不良的共模误差。差分放大器抑制这种共模误差的能力以共模抑制比(CMRR) 来表示。 www.qwbaike.cn

它表示输出电压如何随相同的输入电压（共模电压）而变化。 www.qwbaike.cn

在最佳情况下，输出电压不应该改变，因为它只取决于两个输入电压之间的差值（最大 CMRR）；但是，实际使用中情况会有所不同。CMRR 是差分放大器电路的重要特性，通常以 dB 来表示。 www.qwbaike.cn

如果是精密放大，抑制共模信号在信号传输中降低噪声信号十分重要。 www.qwbaike.cn

www.qwbaike.cn

布局的时候应该尽可能的让电阻和电容尽可能的小，尽可能的平衡在另外一个数据手册就把这个公式写成比值了 www.qwbaike.cn

使用稳定的直流电压给仪表放大器供电。电源引脚上的噪声会对器件性能产生不利影响。 www.qwbaike.cn

尽可能靠近各电源引脚放置一个0.1 μF电容。因为高频时旁路电容引线的长度至关重要，建议使用贴片电容。 www.qwbaike.cn

旁路接地走线中的任何寄生电感会对旁路电容的低阻抗产生不利影响。如图所示，离该器件较远的位置可以用一个10 μF电容。对于在较低频率下发挥作用的较大电容，电流回路长度不是非常重要。大多数情况下，其它精密集成电路可以共享该10 μF电容。 www.qwbaike.cn

www.qwbaike.cn

输入偏置电流必须有一个对地的返回路径。如图所示，使用浮动信号源(如热电偶)时，因为无电流返回路径，所以需建立电流返回路径。 www.qwbaike.cn

www.qwbaike.cn

输入端的过滤器这个地方其实有一段精彩的噪音计算，我就不说了。

www.qwbaike.cn

看这个，我们一般是差分转单端，现在是差分转差分

差分转单端，提高CMR，然后连接在ADC。

www.qwbaike.cn

再看一个差分驱动

显示如何利用AD8228来驱动差分ADC。AD8228结合 一个运算放大器和两个电阻来实现差分驱动。510 Ω电阻和 2200 pF电容将仪表放大器与典型SAR型转换器的开关电容前端产生的开关瞬变隔离。ADC与放大器之间的这些元件也会构成一个142 kHz的滤波器，用于提供抗混叠和噪声滤波功能。

www.qwbaike.cn

REF基准使用于仪表放大器，可使用输出电压方便。 在一般的仪表放大器中，REF基准需要以低阻抗进行驱动，因此通常在电阻分压后用运算放大器等进行缓冲以达到低阻抗[图1-(B)]。如图1-(A)所示，采用电阻分割驱动的方法时，由于该分压电阻会破坏减法器电路的平衡，结果仪表放大器的同相噪声去除比下降，增益的精度下降，需要注意。 www.qwbaike.cn

AD8237的REF基准具有特殊的体系结构。因此，即使通过电阻分割决定REF基准的电位，也不会损害性能。

如果是增益高的构成，也可以直接连定电阻进接半固行调整。由此，可以削减从仪表放大器电路到REF基准所需的缓冲器用运算放大器。 此外，虽然AD8237的偏移电压极小，但在这里也可以进行偏移调整。 www.qwbaike.cn

 间接电流反馈体系结构的体系结构的优点，该体系结构允许在高增益设置下实现理想的钻石图，从而允许设计相对于输入共模电压(VCM)的宽范围输出电压(VOUT)。 www.qwbaike.cn

www.qwbaike.cn

AD8237是少数几种仪器放大器之一，适用于大多数配置的理想钻石图。如图3中的G=100)下，如图中的图形条件所示，AD8237的钻石图是一个简单的正方形。具有此类钻石图形特性的AD8237可以在等于或略高于电源电压的共模电压下完全放大微小信号。​ www.qwbaike.cn