一、什么是儀表放大器？

　　儀表放大器是差分放大器的改進型 ，具有輸入緩沖器，不需要輸入阻抗匹配，適用于測量和電子儀器。特性包括非常低的直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環增益、非常大的共模抑制比和高輸入阻抗，儀表放大器用于需要非常高的精度和穩定性的電路中。

　　主要用于放大小差分信號，儀表放大器提供最重要的共模抑制 （CMR） 功能。它消除了在兩個輸入上具有相同電位的任何信號。輸入之間具有電位差的信號被放大。

　　儀表放大器 （In-Amp） 用于低頻信號 （《1 MHz） 以提供大量增益。它放大輸入信號，抑制輸入信號中存在的共模噪聲。

　　儀表放大器

　　基本上，典型的儀表放大器配置由三個運算放大器和幾個電阻組成。為了實現最高的 CMRR（共模抑制比），使用了高精度電阻（0.1 % 容差或更好）。

　　下圖 2 顯示了 芯片 AD620 In-Amp（儀表放大器）的引腳配置和物理視圖。這是標準的高性能、低成本放大器。它采用 8 引腳 DIP 和 SOIC 封裝完全單片。可以使用單個外部電阻獲得 1 到 1000 的任何所需增益。根據設計，增益為 10 和 100 的固定電阻值是標準的 1% 金屬膜電阻值。

　　（a） 引腳配置 （b） AD620 儀表放大器

　　二、儀表放大器電路

　　儀表放大器通常用于放大低電平信號，抑制噪聲和干擾信號。一個好的儀表放大器必須滿足以下規格：

　　1、有限、準確和穩定的增益

　　由于儀表放大器需要放大來自換能器設備得非常低電平的信號，因此高和有限增益是基本要求，增益還需要準確，閉環增益必須穩定。

　　2、更容易的增益調整

　　除了有限和穩定的增益外，增益因子在規定的值范圍內的變化也是必要的。增益調整必須更容易和精確。

　　3、高輸入阻抗

　　為避免輸入源負載，儀表放大器的輸入阻抗必須非常高（理想情況下是無限大）。

　　4、低輸出阻抗

　　好的儀表放大器的輸出阻抗必須非常低（理想情況下為零），以避免對下一級直接產生負載影響。

　　5、高 CMRR

　　當通過長線傳輸時，傳感器的輸出通常包含共模信號。一個好的儀表放大器必須只放大差分輸入，完全抑制共模輸入。因此，儀表放大器的 CMRR 在理想情況下必須是無限的。

　　6、高擺率

　　儀表放大器的擺率必須盡可能高，以提供最大的不失真輸出電壓擺幅。

　　三、儀表放大器工作原理

　　儀表放大器由兩個同相放大器和一個差分放大器組成。它由具有相應端子的電阻組成。目的是設計一個具有高 CMRR 值以及最大不失真信號值的放大器。

　　儀表放大器電路

　　儀表放大器工作需要以下步驟：

　　初始放大器（如同相放大器）被視為緩沖器。從電路中可以明顯看出，對于這兩個緩沖器，連接了三個電阻。

　　電路中連接的電阻器的值將相等，除了電阻 R gain。

　　在電路中的點 1，電壓將被視為 V1。

　　同樣，在點 2，電壓將被視為等于 V 2。

　　在 R增益處產生的電位降是電壓 V 1和 V 2之間的差。

　　由于這個原因，電流流過那個點，即通過 Rgain。這表明沒有通過反饋觀察到電流流動。

　　然后這導致相同數量的電流流過電路中連接在上方和下方的電阻。這樣，儀表放大器就工作了。

　　四、儀表放大器公式推導

　　這里主要是關于儀表放大器的工作原理并計算輸出電壓增益。如下圖所示，我們可以將設計大致分為 2 個部分：第 1 級和第 2 級（差分放大器）。Vout1 和 Vout2 支路連接到第二級差分放大器設計的輸入。因此，我們需要首先找到 Vout1 和 Vout2，然后將差分放大器特性應用于這些輸入。

　　第1級：

　　顯示電流方向的儀表放大器

　　該級包含 2 個放大器和 3 個電阻，連接在輸入 V1 和 V2 之間，輸出 Vout1 和 Vout2。

　　首先，我們來看看第一級上放大器的V-節點。假設放大器是理想的，因此它們的開環增益是無限的。因此，我們可以假設 V +處的電壓等于 V -處的電壓。因此，我們可以寫成 V – = V + = V1。類似地，我們可以為第一級的底部放大器寫 V – = V + = V2。

　　如圖所示，沒有電流可以從其輸入端流入放大器，因為運算放大器在其反相和非反相輸入端具有無限的輸入電阻。因此，來自 R1 的電流除了流向 Rg 外，無處可去。

　　同樣，來自 Rgain 的電流必須流過底部放大器的 R1。因此，從上電阻 R1、Rgain 和下電阻 R1 流出的電流是相同的電流。現在我們設置了這些，我們可以使用差異信號找到 Id 表達式。

　　儀表放大器公式推導

　　并定義 V2-V1 = Vd，差分輸入信號

　　因此，Vout1 – Vout2 之間的電壓降可以簡單地寫為 Id.R

　　儀表放大器公式推導

　　第2級（差分放大器級）

　　現在我們找到了 Vout2-Vout1，我們可以進入第二階段。Vout2-Vout1 是第二級的輸入，它實際上是一個差分放大器。第二級實際上是一個差分放大器，差分輸入為 Vout2 – Vout1。

　　為了簡化我們的計算，首先我們將考慮一個簡單的差分放大器并找到它的電壓增益。然后申請

　　儀表放大器公式推導

　　我們將在第二階段找到結果。

　　考慮下圖 3 中的差分放大器。讓我們計算輸入為 V1 和 V2 的差分放大器的 Vout，然后將結果替換為上面的表達式。

　　差分放大器

　　我們在 V –和 V +節點應用基爾霍夫電流定律。需要注意的是，運算放大器是理想的，因此為簡單起見，我們可以寫成 V – = V + = Vx。

　　V -節點處的 KCL ：

　　儀表放大器公式推導

　　將這 2 個方程相互減去即可去除 Vx。

　　儀表放大器公式推導

　　現在，回到我們的原始電路，差分放大器級（第二級）的 V1=Vout1 和 V2=Vout2。所以，

　　儀表放大器公式推導

　　其中 Vd = V2-V1，正如我們從上面的第一階段發現的那樣。

　　我們得到

　　儀表放大器公式推導

　　其中 Vd = V2-V1，差分輸入。

　　五、儀表放大器電路設計

　　1、 LM358 構建的儀表放大器

　　1）元器件清單

　　制作儀表放大器電路需要以下組件：

　　元器件清單

　　2）儀表放大器電路設計

　　該電路需要三個運算放大器，這里使用 2 個 LM358 IC。LM358是兩個運放的雙運放模塊，所以我們的電路需要兩個運放。但是，你可以使用三個單封裝運放 LM741 和一個 LM324 運放四封裝。

　　儀表放大器

　　U1:A 和 U1:B 運算放大器在上述電路中用作電壓緩沖器，以確保輸出阻抗很高。

　　U2:A 運算放大器用作運算放大器，由于所有的差分運放電阻都是10 k，它作為單位增益的差分放大器工作，這意味著輸出電壓是U2：A的引腳3到引腳2的電壓差。

　　3）儀表放大器計算

　　可以使用儀表放大器電路的以下公式測量輸出電壓。

　　Vout = （V2-V1）（1+（2R/Rg））

　　其中 R = 電路電阻。R = R2 = R3=R4 = 10k R5 = R6 = R7

　　Rg = 電阻增益。Rg = R1；這里是22k。

　　R 和 Rg 值決定放大器的增益。

　　增益值可以定義為

　　增益 = （1+（2R/Rg））

　　電壓 V1 為 2.8V，V2 為 3.3V。R 為 10k，Rg 為 22k。值為 10k。在上面的公式中，輸入所有這些值。

　　Vout = （V2-V1）（1+（2R/Rg））

　　（3.3-2.8）（1+（2×10/22））

　　（0.5）*（1.9）

　　= 0.95V

　　我們的值為 0.95V，對應于上述近似值。如上所述，電路的電壓差因此為 1.9。該電路測試輸入電壓之間的差異并將增益乘以輸出電壓。

　　2、LM324 構建儀表放大器

　　以一塊四運放集成電路LM324為主要元件，如下圖所示。其特點是將4個功能獨立的運放集成在同一個集成芯片中。使用LM324有什么好處？也就是說，可以大大降低每個運算放大器由于制造工藝不同而導致的器件性能差異。此外，采用統一電源有利于降低電源噪聲，提高電路性能指標。并且電路的基本工作原理保持不變。

　　LM324 儀表放大器

　　3、AD620 構建儀表放大器電路

　　該電路以單片集成芯片AD620為主要電子元件，如下圖所示。其特點是電路結構簡單：一個AD620、一個增益設置電阻Rg、一個工作電源。因此，設計效率非常高。

　　下圖的電路增益計算公式為：G=49.4K/Rg+1。

　　AD620 儀表放大器

　　4、LM741 構建儀表放大器電路

　　由三個通用運放LM741組成一個三運放儀表放大電路形式，并輔以相關電阻外圍電路。同時增加A1、A2同相輸入端的橋式信號輸入電路，如下圖所示。

　　單運放儀表放大器

　　上圖中的A1～A3可以分別用LM741代替。該電路的工作原理與典型的儀表放大器電路完全相同。