《仪表放大器应用工程师指南》- 笔记

书名：《仪表放大器应用工程师指南》第二版
作者：Analog Devises

1. 仪表放大器基本原理

• 与普通放大器相比特点：
  • 可以差分输入(抑制共模，提取微弱信号)
  • 两端输入阻抗平衡，且阻值 > 1 GΩ
  • 偏置电流 1 nA ~ 50 nA
  • 反馈电阻网络与输入信号隔离
• CMR 共模抑制：抵消共模信号(量输入端同电位)，同时放大差模信号(量输入端电位差)的特性
• CMRR 共模抑制比：差模增益 Ad 与共模增益 Acm 之比
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• 差分放大器应用：
  • 数据采集。放大噪声环境中传感器输出的微弱信号。如温度传感器，电桥
  • 医疗仪器：心电图脑电图等
  • 监控设备中的电压或电流
  • 使用可编程电阻器改变增益
  • 音频应用。提取微弱信号，并减少由接地环路引起的失调电压和噪声。
  • 高速信号调理：如视频采集
  • 功率控制的应用：如采集电动机的电压电流。输入信号电压超过电源电压的场景
• 可以使用内部电阻器设置放大器增益。内部电阻器最精确，并提供最低增益对温度的漂移
• 典型连接方法：输入地和输出公共端都被返回到同一电位：

• 通常采用双电源对仪表放大器供电
• 带宽：在低增益时，放大器的带宽很容易达到要求。
• 仪表放大器放大和缓冲差分信号，提供单端输出电压。
• **轨到轨（R-R）**输入或输出：应用中电源电压一般不高（5V，3,.3V），所以需要满幅度输入的ADC芯片。这要求输出信号输出也是轨到轨的。一般高于地电位或小于电源电压 100mV
• 一般仪表放大器的输入部分电流越大，带宽和转换速率越高并且噪声很低。

2. 仪表放大器的内部原理

2.1. 三运算仪表放大器

• 在简单的差分放大器(减法器)的输入段增加高输入阻抗的缓冲放大器，就组成了三运算仪表放大器。经过改进后如下：
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• 如上图：共模信号加在 Rg 两端，因为是等电位，所以不产生电流。因此共模信号以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压按(1 + (2*(Rf / Rg))) 的增益放大。理论上用户增益由 Rg 决定，而不增加共模干扰。
• 三运算仪表放大器由 场效应晶体管(FET)或双极型输入组成。
  • FET 输入：输入阻抗高；转换速率高；抑制共模能力差；输入失调电压较大。
  • 双极型：CMR较高；失调电压漂移较低；
  • 超β双极型：兼顾上面优点；
• 如上图。一般应用检测端(Sence)和参考端(REF)连接在一起，作为参考端和接地端。
  • 参考端允许将外部参考电压施加到 A3
  • 检测端可以用来改变A3增益
• 差分放大器输入共模电压的范围：增益越高或电源电压越低将进一步减小共模电压输入范围。

2.2. 双运算仪表放大器

• 不能单位增益工作，有最小增益限制
• 两个输入端会有相移问题

2.3. 自稳零仪表放大器

• 自动调零是一种动态的抵消失调电压(~ uV)和失调电压漂移(~nV/°C)的技术。还可以降低低频噪声(特别是 1/F)
• 能接受包括电源电压在内的共模电压的输入
• 典型型号 AD8230
• 内部由有源差分采样保持级和一个差分放大器组成。(类似于 ADC 的采样保持电路)。内部有振荡器可以完成时序控制。

设计方法相当绝妙

3. 单片仪表放大器

• 仪表放大器与差分放大器应用差别：
  • 差分放大器：使用减法器做的。应用于共模电压或者瞬态电压可能会超过电源电压的应用中
  • 仪表放大器：输入缓冲+减法器。对信噪比失调电压要求搞得场合应该使用。总输入电压小于电源电压。
• 选型：
  

4. 单片差分放大器

• 通常用于存在很大 DC 或 AC 共模电压的场合。如电流检测，电池检测，电动机控制。一般包含较大的电阻器
• 由前置差分放大器和输出缓冲器组成
• 选型：

5. 仪表放大器的应用技巧

• 双电源供电：常规接法，可以提供正负摆幅
• 单电源供电：注意 1：输入范围应当在供电范围内；输出摆幅尽量接近电源电压两端(R-R)
• 电源旁路，解耦：每个电源与参考端应该连接旁路电容。电容值为 两种电容并联。

耦合输入

• 输入接地返回：当放大器输入是串联电容时，放大器输入端需要串联大电阻接地，以提供电容充电所需要的电流。

• AC 输入耦合：接地电阻应选择大电阻如 1MΩ. AC 耦合电容器应选择非极性电容；应 <0.1uF; 电容器的额定电压应高，避免击穿。

• AC 耦合输入的阻容匹配：
  

• 输入防 ESD 或 DC 过载保护

  • 标准做法每个输入端都接限流电阻器。但串联电阻会增加电阻器噪声(约翰逊噪声)。需要权衡利弊。

  • 1KΩ 的电阻器约翰逊噪声大约是 4nV/√Hz

  • 使用稳压二极管避免输入端电压过大。但是大部分肖特基二极管有较大的泄漏电流会导致输出端产生失调电压。所以对于巨大多数应用，限流电阻器是保护输入的唯一办法

  • 输入端的电压范围是根据放大倍数 + 输出电压范围定义的

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  • 影响 DC 精度的设计：ADC 的精度提高很多，需要保证放大器的精度与 ADC 匹配

  • 运放电路 PCB 部分远离热源。电阻器会有温飘增加失调电压

    • 选取温度系数稳定的电阻器，使用 1% 电阻器获得 13bit 的增益性能。使用 0.1% 1/10w (TC 25ppm/°)的表面安装电阻会有高性能提升。：
    • 选用固定增益的仪表放大器
    • 选用带内部可调增益电阻的放大器
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  • 射频干扰

    • RF干扰被 IC 整流后表现为 DC 失调电压。
    • 仪表放大器在 20KHz 以上的条件下没有 CMR 能力
    • 典型的滤波器如下：
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      • 下述通用规则会非常容易地设计 RC 输入滤波器。
        1. 首先,确定两只串联电阻器的阻值,同时保证前面的电路可充分地驱动这个阻抗。这两只电阻器的典型值在 2 kΩ 和 10 kΩ 之间,这两只电阻器产生的噪声不应当大于该仪表放大器本身的噪声。采用一对 2 kΩ 电阻器,约翰逊噪声会增加 8 nV/√Hz;采用 4 kΩ 电阻器,会增加 11 nV/√Hz;采用 10kΩ电阻器,会增加 18 nV/√Hz。
        2. 其次,为电容器 C2 选择合适的电容值,它确定滤波器的差分(信号)带宽。在保证不衰减输入信号的条件下,这个电容值最好总是选择得尽可能低。10 倍于最高信号频率的差分带宽通常就足够了。
        3. 最后,选择电容器 C1a 和 C1b 的电容值,它们设置共模带宽。对于可接受的 AC CMR,其带宽应当等于或小于由 C2 电容值设置的差分带宽的10%。共模带宽应当总是小于仪表放大器单位增益带宽的 10%。

• 采用 X2Y 电容器的滤波器：

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• 采用低通滤波提高信噪比：通常加在被仪表放大器放大之后的信号上

6. 仪表放大器和差分放大器应用电路

复合仪表放大器有优良的高频 CMR

采用 AC 激励的应变计测量：

- 应变计经常受失调漂移， 1/f 噪声和输电线噪声的影响。使用 AC 信号激励电桥：

电流变送器

- 许多系统使用电流传送来控制远程仪表。这种系统的优点是具有用两个远程连接的电源来工作的能力,即使它们的接地电位不同。

高幅度模拟输入 ADC 接口

- 电路提供了双电源工作条件下高达±10 V 高幅度模拟输入与单电源供电的低幅度差分输入 ADC 之间的接口。

高速求和放大器

- 原理图是一个带有多个输入端和一个单端输出的普通的求和放大器。它是反相放大器的一种变异。X 点是虚地并被称为求和点。
- 这个电路在音频和视频应用中非常有用

高压监测电路

- 积分器(OP177)为差分放大器(AD629)提供负反馈,强制其输出保持为 0 V。反相输入端的分压器设置该差分放大器的共模电压为V IN /20。积分器输出和测量输出V 0UT 提供保持共模电压所需要的电流。R1 和C1 补偿该系统使带宽为 200 kHz。

单电源高 CMR 电路

- 电路能够提取叠加在非常大的共模电压及其单电源电压上的微弱信号。另外,如果不采用差分驱动 ADC,那么 ADC 的参考电压引脚上的噪声也无法与有用信号分开。
- 随着输入信号的增大,其中一个输出 OUTP 也增大,而另一个输出 OUTN 则减小。两个输出相对由 ADC的参考电压设置的共模电压保持在中值。

标准惠斯登电桥电路

单电源电桥采集电路

低压降双极性电桥驱动器

- 电阻器R1 和R2 提供一个恒定电流用于电桥激励。AD620 低功耗仪表放大器用于调理该电桥的差分输出电压。AD620 的增益(G)可通过一只外部电阻器R G 设置

传感器接口应用：医用心电图

- 大部分传感器频率 <= 1MHz
- 心电信号 5mV 左右，还有 50Hz 干扰
- 尽管可以有更多的输出,这里仅显示了来自病人的三个输出。输出缓冲放大器应该为低噪声、低输入偏置电流的 FET 运算放大器,因为病人传感器通常具有很高的阻抗所以信号幅度可能相当低。三电阻器求和网络用于建立一个公共检测点以驱动强制性输出缓冲放大器(force amplifier)。该放大器的输出补偿通过病人的电流,直到三个缓冲放大器的净输出和为零。
- 三个仪表放大器用于为监视病人的状况提供三个独立的输出。适合的 ADI 公司产品包括 AD8221,

AD627 和 AD623 仪表放大器以及用作缓冲器的AD820、AD822(双运放)和 AD824(四运放)运算放大器。上述每个仪表放大器的后面都接一个去除信号中 DC 分量的高通滤波器。实际应用通常会节省一个仪表放大器,而通过软件(或硬件)计算来确定第三个仪表放大器的输出
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典型传感器的特性

精密电压电流转换器

电流传感器

7. 仪表放大器与 ADC 匹配

• 在一个ADC中,可提供的分辨率等于(2 n - 1),其中n是 bit 位数。例如,一个 8 bit ADC提供的分辨率为(2 8 - 1),等于 255。在这种情况下,该转换器的满度输入范围除以 255 就等于它能分辨的最小信号。例如,一个 5 V满度输入范围的 8 bitADC将具有 19.6 mV极限分辨率。