仪表放大器基础及应用

运算放大器的一种特殊实现是仪表放大器，这是一种带有输入缓冲放大器的差分放大器。在本教程中，我们将学习一些重要的仪表放大器基础知识和应用，以及三运放仪表放大器的电路和工作。

如果您想要有关OP-AMP基础知识的更多信息，请阅读“运算放大器的基本知识“关于差分放大器的基础知识，请阅读“差分放大器”。

介绍

许多工业和消费者应用需要测量和控制物理条件。例如，在日记厂内的温度和湿度测量，以精确地保持产品质量，或精确控制塑料炉的温度，以产生特定的塑料等级等。

这些物理条件的变化必须用传感器转换成电量，然后放大。这种用来放大信号以测量物理量的放大器通常被称为仪器放大器。

仪表放大器的输入是传感器的输出信号。换能器是一种能把一种形式的能量转换成另一种形式的装置。大多数换能器输出是非常低电平的信号。

因此，在下一阶段之前，有必要放大信号的电平，剔除噪声和干扰。一般的单端放大器不适合这样的操作。为了抑制噪声，放大器必须具有高的共模抑制比。

用于这种低电平放大的专用放大器是仪表放大器，它具有高共模抑制比、高输入阻抗以避免负载。

仪表放大器用于精确，低电平信号放大，需要高输入电阻，低噪声和精确的闭环增益。而且，低功耗，高压速率和高共模抑制比对于良好的性能是期望的。

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要求好的仪表放大器

仪表放大器通常用于放大低电平信号，剔除噪声和干扰信号。因此，一个好的仪表放大器必须满足以下规格:

有限、准确、稳定的增益:由于仪器放大器需要放大来自换能器设备的非常低的信号，高和有限增益是基本要求。增益也需要精确，闭环增益必须稳定。

更容易获得调整：除了有限和稳定的增益外，增益系数在规定的数值范围内的变化也是必要的。增益调整必须更容易和精确。

高输入阻抗:为避免输入源的负载，仪表放大器的输入阻抗必须非常高（理想地无限）。

低输出阻抗:一个好的仪表放大器的输出阻抗必须非常低(理想情况下为零)，以避免直接下一阶段的负载影响。

高CMRR:换能器的输出通常包含在长线上传输时的共模信号。良好的仪表放大器必须仅放大差分输入，完全拒绝共模输入。因此，仪表放大器的CMRR必须是理想的无限的。

高转换速率:仪表放大器的转换速率必须尽可能高，以提供最大的未置换输出电压摆幅。

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三运放仪表放大器

最常用的仪表放大器由三个运放组成。在这个电路中，一个非反相放大器连接到差分放大器的每个输入端。

该仪表放大器提供高输入阻抗，用于精确测量传感器的输入数据。仪表放大器的电路图如下图所示。

运放1和运放2为非反相放大器，共同构成仪表放大器的输入级。运放3是一个差分放大器，构成仪表放大器的输出级。

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仪表放大器的工作

仪表放大器的输出级是差别放大器，其输出V_出是施加在其输入端子上的输入信号的放大差。如果运放1和运放2的输出为V_o1群和V_o2分别给出了差分放大器的输出，

V._出= (R_3./ R.₂) (V_o1群- v_o2）

Vo1和Vo2的表达式可以用输入电压和电阻来表示。考虑如下图所示的仪表放大器的输入级。

节点A处的电位是输入电压V₁。因此，节点B处的潜力也是v₁，从虚短的概念。因此，节点G的电势也是V₁。

节点D处的电位是输入电压V₂。因此，节点C处的潜力也是v₂，从虚拟短片。因此，节点H的潜力也是v₂。

理想情况下，到输入级运放的电流为零。因此,当前一世通过电阻器r₁, R_获得和R₁是相同的。

在节点E和F之间应用欧姆定律，

I = (V_o1群- v_o2) / (R₁+ R_获得+ R₁) ——————— 1

I = (V_o1群- v_o2) / (2 r₁+ R_获得）

由于无电流流到OP-AMPS 1和2的输入，因此可以给出节点G和H之间的电流I，

I = (V_G- v_H) / R_获得= (V₁- v₂) / R_获得————————- 2

方程1和方程2，

(V_o1群- v_o2) / (2 r₁+ R_获得）=（v1- v₂) / R_获得

(V_o1群- v_o2) = (2 r₁+ R_获得) (V₁- v₂) / R_获得——3

差分放大器的输出为:

V._出= (R_3./ R.₂）（V._o1群- v_o2）

因此，（v_o1群- - - - - - V_o2）=（r₂/ R._3.V)_出

替换(V_o1群- - - - - - V_o2的值，我们得到

(右₂/ R._3.V)_出= (2 r₁+ R_获得) (V1-V₂) / R_获得

例如V_出= (R_3./ R.2) {(2 r₁+ R_获得) / R_获得} (V1-V₂）

上面的方程给出了仪表放大器的输出电压。放大器的总增益由(R_3./ R.2) {(2 r₁+ R_获得) / R_获得}。

笔记：

• 仪表放大器的总体电压增益可以通过调节电阻R的值来控制_获得。
• 仪器放大器的共模信号衰减是由差分放大器提供的。

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三种OP-AMP仪表放大器的优点

• 通过调节R值，可以很容易地改变和控制三运放仪表放大电路的增益_获得不改变电路结构。
• 放大器的增益仅取决于所使用的外部电阻。因此，通过仔细选择电阻器的值，很容易准确地设置增益。
• 仪器放大器的输入阻抗依赖于输入级的非反相放大器电路。非反相放大器的输入阻抗很高。
• 仪表放大器的输出阻抗是差分放大器的输出阻抗，它很低。
• 运放3的共模抑制比(CMRR)非常高，几乎所有的共模信号都会被拒绝。

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换能器桥式仪表放大器

电阻换能器桥是电阻器网络，其电阻因某些物理条件的变化而变化。例如，热敏电阻改变它们的电阻和光依赖电阻改变它们的光强度变化的阻力。

通过将这样的电桥作为电路的一部分，就有可能产生与被测物理量的变化成比例的电信号。

可以放大这种电信号并用于监测和控制物理过程。仪表放大器可以用连接到其输入端子之一的换能器桥构造，如下图所示。

让换能器装置在电阻桥中的电阻是r_T.其电阻变化量为δ r。换能器器件的有效电阻为R_T.±ΔR。电阻桥提供直流电压，V_DC.。

当桥平衡时，即在被测物理量的某一参考条件下，有:

V._一种= V_B.

R._一种(Vdc) / (R_一种+ R_T.) = R_B.(Vdc) / (R_B.+ R_C）

在此条件下，仪表放大器的差分输入为

V._差= V_B.- - - - - - V_一种= 0

因此，放大器的输出为零。因此，在输出处连接的显示装置显示正在测量的物理量的参考值。

参考条件一般由设计者选择，它取决于传感器的器件特性、被测物理量的类型和应用的类型。

当正在测量物理量的变化时，电压V_一种不再等于V_B.。这是因为换能器器件的电阻随R的变化而变化_T.（R._T.±ΔR)。

这为仪表放大器产生一个差分输入，放大器的输出将不再为零。

电阻R._B.和R_C是常数，因此电压V_B.与之前保持相同，即

V._B.= R_B.(Vdc) / (R_B.+ R_C）

但是电压V_一种由于换能器器件电阻变化而产生的变化，现在给出如下公式:

va = R._一种(Vdc) / (R_一种+ R_T.+ΔR)

差分电压V._差是，

V._差= V_B.- - - - - - V_一种

V._差= {R_B.(Vdc) / (R_B.+ R_C)} - {R_一种(Vdc) / (R_一种+ R_T.+ΔR)}

如果电路中的所有电阻被选择为相同的值，即r_一种= R_B.= R_C= R_T.= R

V._差= {R（VDC）/（2R）} - {R（VDC）/（2R +ΔR）}

V._差= {RVdc[2R+ δ r] - r。2} / 2 R (2 R +ΔR)

V._差=R..vdc [2R.+Δr-2R.] / {2R.（2r +Δr）}

V._差=ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)}

如果值为v_差是正的，表示V_B.大于V_一种。

仪表放大器的输出给出，

V._O.= (R_3./ R.₂V)_D.

V._O.= (R_3./ R.₂)(ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)})

当δ r << 2R时，V_O.可以写成，

V._O.= (R_3./ R.₂）[Δr/ 4r]（VDC）

从上面的方程可以看出，输出取决于电阻δ r的变化。显示器可以根据被测物理量的单位进行校准。

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仪表放大器的应用

仪表放大器以及换能器桥可以用于各种应用。这些应用程序通常称为数据采集系统。

在输入阶段，有一个换能器装置将物理量的变化转换为电信号。

电信号被送入仪表放大器。放大后的信号被送入显示设备，该设备经过校准以检测被测量的变化。

温度控制器

一个简单的温度控制系统可以在电阻桥中使用热敏电阻作为传感器装置，如图所示。

电阻桥保持均衡，以实现一些参考温度。对于该参考温度的任何变化，仪表放大器将产生输出电压，该输出电压驱动继电器，该继电器又打开/关闭加热单元，从而控制温度。

温度指示器

温度控制器显示的电路也可以用作温度指示器。当V_O.= 0 v。

温度指示表被校准到参考温度，对应于这个参考条件。

随着温度的变化，放大器输出也会发生变化。可以适当地设定放大器的增益以指示所需的温度范围。

光强度计

通过通过光相关电阻（LDR）更换热敏电阻，可以使用相同的电路来检测光强度的变化。桥梁在黑暗中设置为平衡条件。

当光线落在LDR上时，它的电阻发生变化，使电桥不平衡。这使得放大器产生一个有限的输出，进而驱动仪表。

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