仪器放大器基础及应用“，

运算放大器的一个特殊实现是仪表放大器，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的基础知识和应用，以及一个三运放仪表放大器的电路和工作。

如果你想了解更多运算放大器的基础知识，请阅读”运算放大器的基本知识”有关差动放大器的基础知识，请阅读”差分放大器”。

介绍

许多工业和消费应用需要测量和控制物理条件。例如，测量日记本厂内的温度和湿度以准确地保持产品质量，或精确地控制塑料炉的温度以生产特定等级的塑料等。

这些物理条件的变化必须通过传感器转换成电信号，然后放大。这种用于放大信号以测量物理量的放大器通常被称为仪表放大器。

仪表放大器的输入是换能器的输出信号。换能器是把一种形式的能量转换成另一种形式的能量的装置。大多数换能器输出都是非常低电平的信号。

因此，在进入下一阶段之前，需要对信号的电平进行放大，抑制噪声和干扰。一般的单端放大器不适合这种操作。为了抑制噪声，放大器必须具有高的共模抑制比。

用于高共模抑制比(CMRR)、高输入阻抗、避免负载的低电平放大的专用放大器是仪表放大器。

仪表放大器用于高精度、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。此外，低功耗，高转换率和高共模抑制比是良好的性能要求。

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一个好的仪表放大器的要求

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

有限、准确、稳定的增益:由于仪表放大器需要放大来自换能器装置的非常低的信号，因此高而有限的增益是基本要求。增益还需要精确，闭环增益必须是稳定的。

简单的增益调整:除了有限和稳定的增益，在一个规定的值范围内的增益因子的变化也是必要的。增益调整必须更容易和精确。

高输入阻抗:为了避免输入源的负载，仪表放大器的输入阻抗必须非常高(理想情况下无穷大)。

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)，以避免加载对下一阶段的影响。

高CMRR:传感器的输出通常包含共模信号，当它通过长导线传输时。一个好的仪表放大器必须只放大差分输入，完全拒绝共模输入。因此，仪器放大器的共模抑制比必须是理想的无限大。

高转换速率:仪表放大器的转换速率必须尽可能高，以提供最大的不失真的输出电压摆动。

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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算放大器组成。在该电路中，一个非反相放大器连接到差动放大器的每个输入端。

这个仪表放大器提供了高输入阻抗的精确测量输入数据从传感器。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一个输入级。运放3是一个差分放大器，它构成仪表放大器的输出级。

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仪表放大器的工作原理

仪表放大器的输出级是差分放大器，其输出V_出是应用到其输入端子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，则差分放大器的输出为:

V_出= (R_3./ R₂) (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。考虑仪表放大器的输入级如下图所示。

节点A处的电位是输入电压V₁．因此节点B的势能也是V₁，来自虚拟空头概念。因此，节点G处的势也是V₁．

节点D处的电位是输入电压V₂．因此结点C的电位也是V₂，从虚短。因此，节点H处的电位也是V₂．

理想情况下，输入级运放的电流为零。因此,当前我通过电阻R₁,R_获得和R₁是相同的。

运用节点E和节点F之间的欧姆定律，

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

I = (V_o1群- v_o2) / (2 r₁+ R_获得）

由于没有电流流向运放1和运放2的输入端，节点G和节点H之间的电流I可以表示为:

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

方程1和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./ R₂) (V_o1群- v_o2）

因此,(V_o1群- - - - - - V_o2) =(右₂/ R_3.V)_出

替换(V_o1群- - - - - - V_o2)式中，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./ R2) {(2 r₁+ R_获得) / R_获得} (V1-V₂）

上式给出了仪器放大器的输出电压。放大器的总增益由项(R_3./ R2) {(2 r₁+ R_获得) / R_获得}。

注意:

• 仪表放大器的总电压增益可以通过调节电阻器R的值来控制_获得．
• 仪表放大器的共模信号衰减由差分放大器提供。

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三运放仪表放大器的优点

• 三运放仪表的增益放大器电路可通过调节R_获得不改变电路结构。
• 放大器的增益只取决于所使用的外部电阻。因此，很容易通过仔细选择电阻值来精确地设定增益。
• 仪表放大器的输入阻抗取决于输入级的非反相放大器电路。非反相放大器的输入阻抗非常高。
• 仪表放大器的输出阻抗是差分放大器的输出阻抗，这是非常低的。
• 运放3的共模抑制比非常高，几乎所有的共模信号都会被拒绝。

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传感器桥式仪表放大器

电阻式换能器电桥是电阻网络，其电阻随物理条件的变化而变化。例如，热敏电阻随温度而改变其电阻，而光依赖电阻随光强的变化而改变其电阻。

通过使这种电桥作为电路的一部分，就有可能产生与被测量物理量的变化成比例的电信号。

这样的电信号可以被放大，用来监测和控制物理过程。仪表放大器可以用一个传感器桥接到其输入端，如下图所示。

设传感器装置在电阻桥中的电阻为R_T其阻力的变化是ΔR。传感器装置的有效电阻为R_T±ΔR。电阻桥的直流电压为V_直流．

当桥梁平衡时，即在被测物理量的某个参考条件下，我们得到:

V_一个= V_b

R_一个(Vdc) / (R_一个+ R_T) = R_B(Vdc) / (R_B+ R_C）

在此条件下，输入到仪表放大器的差分输入为

V_Diff= V_b- - - - - - V_一个= 0

因此，放大器的输出为零。因此，连接在输出端的显示设备显示所测量的物理量的参考值。

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

当被测物理量发生变化时，电压V_一个不再等于V了吗_b．这是因为换能器器件的电阻由R变化而来_T(R_T±ΔR)。

这为仪表放大器产生了一个差分输入，放大器的输出将不再为零。

电阻R_B和R_C是恒定的，因此电压V_B和以前一样，即。

V_b= R_B(Vdc) / (R_B+ R_C）

但是电压V_一个由于传感器器件电阻的变化而产生的变化，现在表示为:

弗吉尼亚州= R_一个(Vdc) / (R_一个+ R_T+ΔR)

差分电压V_Diff是,

V_Diff= V_b- - - - - - V_一个

V_Diff= {R_B(Vdc) / (R_B+ R_C)} - {R_一个(Vdc) / (R_一个+ R_T+ΔR)}

如果选择电路中所有的电阻值相同，即R_一个= R_B= R_C= R_T= R

V_Diff= {R(Vdc)/(2R)} - {R(Vdc)/(2R+ ΔR)}

V_Diff= {RVdc[2R+ΔR] - RVdc。2} / 2 R (2 R +ΔR)

V_Diff＝R.Vdc [2 r+ΔR -2 r] / {2R(2 R +ΔR)}

V_Diff=ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)｝

如果V的值_Diff是正的，表示V_b大于V_一个．

仪表放大器的输出为:

V_O= (R_3./ R₂V)_d

V_o= (R_3./ R₂)(ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)})

随着电阻ΔR << 2R, V_o可以写成，

V_o= (R_3./ R₂)(ΔR / 4 R) (Vdc)

由上式可以看出，输出取决于电阻ΔR的变化。显示器可以根据被测量的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，连同传感器桥可用于各种各样的应用。这些应用通常被称为数据采集系统。

在输入级，有将物理量的变化转换为电信号的换能器装置。

电信号被馈送到仪表放大器。放大后的信号然后馈送到显示设备，该设备经过校准以检测被测量的变化。

温度控制器

如图所示，在电阻桥中，用热敏电阻作为换能器装置，可以构造一个简单的温控系统。

电阻电桥在某些参考温度下保持平衡。对于参考温度的任何变化，仪表放大器将产生一个输出电压，从而驱动继电器，继电器反过来打开/关闭加热单元，从而控制温度。

温度指示器

所示的温度控制器电路也可以用作温度指示器。电阻电桥在特定的参考温度下保持平衡_o= 0 v。

温度指示表校准到参考温度，对应于这个参考条件。

随着温度的变化，放大器的输出也会发生变化。放大器的增益可以适当地设置来指示所需的温度范围。

光强度计

同样的电路也可以用来检测光强度的变化，方法是用光依赖电阻(LDR)代替热敏电阻。这座桥在黑暗中处于平衡状态。

当光线落在LDR上时，其电阻会发生变化，使桥失去平衡。这导致放大器产生有限的输出，这反过来驱动仪表。

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