仪表放大器与普通运算放大器有何不同（一文看懂仪表放大器与运算放大器有何不同）

本文首先介绍了仪表放大器和运算放大器的区别，然后介绍了仪表放大器的工作原理、特点和应用，最后介绍了运算放大器的工作原理和基本电路。让让我们和边肖一起来看看吧。

什么仪表放大器和运算放大器的区别是什么？仪表放大器是一个闭环增益单元，相对于基准引脚具有差分输入和单端输出。大多数情况下，仪表放大器的两个输入端的阻抗是平衡的，电阻非常高，典型值109。输入偏置电流也应该非常低，典型值为1 nA至50 nA。像运算放大器一样，它的输出阻抗非常低，在低频带通常只有几毫欧(m)。运算放大器的闭环增益由连接在其反相输入和输出之间的外部电阻决定。与放大器不同，仪表放大器使用内部反馈电阻网络，该网络与其信号输入隔离。输入信号施加于仪表放大器的两个差分输入端，增益可以内部预设或由用户通过引脚连接内部或外部增益电阻来设置，该引脚也与信号输入端隔离。

我们专用的仪表放大器通常很贵，所以我们想知道是否可以用普通的运算放大器组成仪表放大器。答案是肯定的。三个常见的运算放大器可以用来组成一个仪表放大器。下面的电路图显示了：

输出电压表达式如图所示。

这里你可能会问上面的表达式是怎么推导出来的？为什么上面的电路可以实现仪表放大器？我们将在下面讨论这些问题。在此之前，让让我们看看下面熟悉的差异通道：

如果R1=R3，R2=R4，那么VOUT=(VIN2—VIN1)(R2/R1)

这种电路提供了仪表放大器的功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有一些缺陷。首先，同相输入和反相输入的阻抗相当低且不相等。本例中，VIN1的反相输入阻抗等于100k，而VIN2的同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200k。因此，当电压施加到一个输入端而另一个输入端接地时，差分电流将根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡将降低电路的CMRR。)

此外，该电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精确，否则每个输入端的增益都会不同，这将直接影响共模抑制。例如，当增益等于1时，所有电阻值必须相等。只要其中一个电阻存在0.1%的不匹配，其共模抑制就会降至66 dB(2000:1)。同样，如果源阻抗不平衡100，CMR将下降6 dB。

为了解决上述问题，我们在运算放大器的正负输入端都增加了电压跟随器，以改善输入阻抗。如下图所示：

上述两个前端运算放大器用作电压跟随器。现在我们把它们改成同相放大器，电路如下：

输出电压表达式如上图所示。当图中所示的电路增加增益(A1和A2)时，它会将相同的增益添加到差分信号中，并将相同的增益添加到共模信号中。也就是说，与原始电路相比，上述电路的共模抑制比没有增加。

现在，让让我们开始最巧妙的改变吧！先看电路：

这个标准的三运放仪表放大器电路是对缓冲减法器电路的巧妙改进。与前面的电路一样，上图中的A1和A2运算放大器缓冲输入电压。然而，在这种结构中，单个增益电阻RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，而不是缓冲减法器电路的R6和R7之间。由于每个放大器求和点的电压等于施加于其相应正输入端的电压，因此整个差分输入电压现在出现在RG上。因为输入电压放大后的差分电压(在A1和A2的输出端)出现在三个电阻R5、RG和R6上，所以差分增益可以

这种连接还有另一个优点：一旦该减法器电路的增益由比例匹配电阻设置，改变增益时就不需要电阻匹配。如果R5=R6，R1=R3，R2=R4，则Vout=(VIN 2-Vin 1)(12r 5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于Vin，流经RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号会增益，并通过A1和A2放大。然而，应当注意，施加于放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，因此RG中不会产生电流。由于没有电流流过RG(即没有电流流过R5和R6)，放大器A1和A2将作为单位增益跟随器工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将以增益系数[1 (2 RF/RG)]放大。这意味着该电路的共模抑制比比原来的差分通道提高了[1 (2 RF/RG)]倍！

理论上，用户可以在不增加共模增益和误差的情况下获得所需的前端增益(由RG决定)，即差分信号将与增益成比例增加，但共模误差不会，因此比值[增益(差分输入电压)/(共模误差电压)]将增加。因此，理论上，CMR与增益成正比增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构的对称性，输入放大器的共模误差如果被跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括频率转换的共模抑制等误差。这些特性解释了这种三运放结构的广泛应用。

在这里，我们已经推导出了；来龙去脉：差动放大器-由三个运算放大器组成的仪表放大器-预电压跟随器-电压跟随器成为非反相放大器。

仪表放大器介绍仪表放大器的工作原理。

用分立元件构建仪表放大器(IA)需要花费大量时间和精力，而使用集成仪表放大器(IA)或差分放大器是一种简单可行的替代方案。为了更好地理解仪表放大器(IA)和共模抑制比(CMR)的重要性，这里以惠斯通电桥变送器为例，R1=R2=R3=R4=5k，激励电压(VEX)为10V。这样，在空载条件下，计算桥可以给：

V1=VEX (R2/(R2+R1))，V1=5VV2=VEX (R3/(R3+R4))，V2=5V-5V=0V。变送器输出是电桥两个输出端之间的电压差(V)。假设对电桥的四个可动臂施加一定的激励，R1和R4的值增大，而R2和R3的值减小。此时，如果R1=R4=5001，R2=R3=4999，VEX=10V，我们可以得到：V1=5.001V2=4.999V .实际上，人们关注的信号是：

V=V1-V2=2mV .所以通过共模电压(CMV)的计算可以知道，即使电桥不平衡，共模电压(CMV)仍然等于(v1+v2，/2=5v。理想情况下，该电路的输出为：VO=V增益。

上述计算表明，当存在大共模信号时，很难测量弱电压信号。 V(单位mv)可以通过测量两个大电压信号V2和V1获得，这两个信号都可以是伏特级。

仪表放大器的特点及应用

仪表放大器专业做精密差分电压放大器，源于并优于运算放大器。仪表放大器集成了放大器中的关键元器件，其独特的结构使其具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益、设置灵活、使用方便等特点。这使得它在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高级音频设备中很受欢迎。

运算放大器介绍运算放大器的工作原理。

一个运算放大器有两个输入和一个输出，如图3-1所示，其中输入标有"是非反相输入，不能称为正输入，另一个输入标有"是反相输入，不能称为负输入。如果从这两个输入端连续输入相同的信号，在输出端将得到电压相同但极性相反的输出信号：

连接运算放大器的电源可以是单电源，也可以是双电源，如图3-1所示。运算放大器有一些非常有趣的特性。灵活应用这些功能可以获得许多独特的用途。一般来说，这些特征可以合并成两个：

1、运算放大器的放大倍数是无限的。

2、运算放大器输入电阻无穷大，输出电阻为零。

现在让让我们简单地看一下根据以上两个特征可以得出什么结论。

首先，运放的放大倍数是无限大的，所以只要它的输入电压不为零，它的输出电压就会和正电源或者负电源一样高。应该是无限高，但受电源电压限制。准确地说，如果同相输入端的输入电压高于反相输入端的输入电压，即使只高一点点，运算放大器的输出端也会输出与正电源电压相同的电压；相反，如果反相输入端的输入电压高于同相输入端的输入电压，则运算放大器的输出端将输出一个等于负电源电压的电压(如果运算放大器使用单电源，则输出电压为零)。

其次，由于放大倍数无限大，运算放大器不能直接作为放大器使用，必须将输出信号反馈到反相输入端(称为负反馈)，以降低其放大倍数。如图1-3左图所示，R1的作用是将输出信号返回到运算放大器的反相输入端。因为反相输入端与输出电压相反，会降低电路的放大倍数。它是一个负反馈电路，电阻Rf也叫负反馈电阻。

还有，由于运放的输入是无穷大，所以运放的输入是——，没有电流输入，只接受电压。同样，如果我们想象运算放大器的同相输入端和反相输入端之间有一个无穷大的电阻，那么施加在这个电阻两端的电压就不能形成电流。没有电流，按欧姆定律，电阻两端不会有电压，所以我们可以认为运算放大器的两个输入端的电压是相同的(这种情况下的电压有点像用导线短接两个输入端，所以我们把这种现象叫做虚拟短).

运算放大器基本电路

单电源运算放大器需要在外部提供一个虚地。通常，这个电压是VCC/2。图2中的电路可以用来产生VCC/2电压，但它会降低系统的低频特性。

R1和R2是等效的，由允许的功耗和允许的噪声来选择。电容C1是一种低通滤波器，用于降低电源噪声。在某些应用中，缓冲运算放大器可以忽略。

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