儀表放大器和運算放大器優缺點對比

　　什麼是儀表放大器

　　這是一個特殊的差動放大器，具有超高輸入阻抗，極其良好的CMRR，低輸入偏移，低輸出阻抗，能放大那些在共模電壓下的信號。

　　隨著電子技術的飛速發展，運算放大電路也得到廣泛的應用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源於運算放大器，且優於運算放大器。儀表放大器把關鍵元件集成在放大器內部，其獨特的結構使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點，使其在數據採集、傳感器信號放大、高速信號調節、醫療儀器和高檔音響設備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環增益組件，具有差分輸入和相對參考端的單端輸出。與運算放大器不同之處是運算放大器的閉環增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內部反饋電阻網絡。儀表放大器的 2 個差分輸入端施加輸入信號，其增益即可由內部預置，也可由用戶通過引腳內部設置或者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻預置。

　　什麼是運算放大器

　　運算放大器（簡稱「運放」）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數學運算的結果。［1］ 由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名「運算放大器」。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單晶片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用於電子行業當中。

　　運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當於電路中的參考結點。）之間，且其實際方向從a 端高於公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。

　　儀表放大器的優缺點

　　優點：精度高。缺點：貴

　　儀表放大器的優缺點

　　在集成電路工藝中還難與於製造電感元件；製造容量大於200pF的電容也比較困難，而且性能很不穩定，所以集成電路中應避免使用電容器。而運算放大器各級之間都採用直接耦合，基本不採用電容元件，因此適合用於集成化的要求。

　　高速運放，從飽和退出的時間，與比較器相比較，依然相當長。

　　儀表放大器與運算放大器的區別是什麼？

　　儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環增益單元。大多數情況下，儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡並且阻值很高，典型值≥109 Ω。其輸入偏置電流也應很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。運算放大器的閉環增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個內部反饋電阻網絡，它與其信號輸入端隔離 。對儀表放大器的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益既可由內部預置，也可由用戶通過引腳連接一個內部或者外部增益電阻器設置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離。

　　專用的儀表放大器價格通常比較貴，於是我們就想能否用普通的運放組成儀表放大器？答案是肯定的。使用三個普通運放就可以組成一個儀用放大器。電路如下圖所示：

　　

　　輸出電壓表達式如圖中所示。

　　看到這裡大家可能會問上述表達式是如何導出的？ 為何上述電路可以實現儀表放大器？下面我們就將探討這些問題。在此之前，我們先來看如下我們很熟悉的差分電路：

　　

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

　　這一電路提供了儀表放大器功能，即放大差分信號的同時抑制共模信號，但它也有些缺陷。首先，同相輸入端和反相輸入端阻抗相當低而且不相等。在這一例子中VIN1反相輸入阻抗等於 100 kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等於反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此，當電壓施加到一個輸入端而另一端接地時，差分電流將會根據輸入端接收的施加電壓而流入。（這種源阻抗的不平衡會降低電路的CMRR。）

　　另外，這一電路要求電阻對R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制。例如，當增益等於 1 時，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一隻電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡將使CMR下降 6 dB。

　　為解決上述問題，我們在運放的正負輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

　　

　　以上前置的兩個運放作為電壓跟隨器使用，我們現在改為同相放大器，電路如下所示：

　　

　　輸出電壓表達式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益（A1 和 A2）時，它對差分信號增加相同的增益，也對共模信號增加相同的增益。也就是說，上述電路相對於原電路共模抑制比並沒有增加。

　　下面，要開始最巧妙的變化了！看電路先：

　　

　　這種標準的三運放儀表放大器電路是對帶緩衝減法器電路巧妙的改進。像前面的電路一樣，上圖中A1 和A2 運算放大器緩衝輸入電壓。然而，在這種結構中，單個增益電阻器RG連接在兩個輸入緩衝器的求和點之間，取代了帶緩衝減法器電路的R6和R7。由於每個放大器求和點的電壓等於施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓現在都呈現在RG兩端。因為輸入電壓經過放大後（在A1 和A2的輸出端）的差分電壓呈現在R5，RG和R6這三隻電阻上，所以差分增益可以通過僅改變RG進行調整。

　　這種連接有另外一個優點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設定後，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，則VOUT = （VIN2-VIN1）（1+2R5/RG）（R2/R1）由於RG兩端的電壓等於VIN，所以流過RG的電流等於VIN/RG，因此輸入信號將通過A1 和A2 獲得增益並得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會在RG上產生電流。由於沒有電流流過RG（也就無電流流過R5和R6），放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩衝器，而差分電壓將按〔1+（2 RF/RG）〕的增益係數被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了〔1+（2 RF/RG）〕倍！

　　在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益（由RG來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。

　　最後，由於結構上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如共模抑制隨頻率變換的誤差。上述這些特性便是這種三運放結構得到廣泛應用的解釋。

　　到這裡，我們導出了這個經典電路的;來龍去脈： 差分放大器--》前置電壓跟隨器--》電壓跟隨器變為同相放大器--》三運放組成的儀用放大器。

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