关键词 仪表放大器 差分信号 单端信号
1 序言
仪表放大器（IA）由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点,在数据采集系统、电桥、热电偶及温度传感器的放大电路中得到了广泛的应用,它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。在数据采集系统中,一般需要实现对多路信号进行数据采集,这主要是通过多路开关来实现对多路信号的切换。实际应用中,针对不同的测量对象可以分别选择单端信号或差分信号的输入方式来实现对信号的获取,一般市场上所有的多路信号采集系统基本上都具备这种功能。
差分仪表放大器具有对差分信号进行放大,对共模信号加以抑制的功能,但是并非所有差分信号输出的场合可以直接使用仪表放大器作为前置信号放大级,具体来说必须考虑到共模信号的大小、差分信号的大小、放大倍数的选择、输入信号的频率范围等因素,同时针对输入信号的具体情况可以选择单端信号输入方式或者差分信号输入方式。下面对仪表放大器在实际应用中所涉及到的这些问题分别加以阐述。
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2 仪表放大器的结构 仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成,如图1所示。在传统的三片运放方式的基础上做一些改进,内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定,减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差,同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗,且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。由于采用激光调阻,使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。 图1所示为BB（Burr Brown）公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。在实际应用时,正负电源引脚处应接滤波电容C,以消除电源带来的干扰。5脚为输出参考端,一般接地。实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值,也将对器件的共模抑制比产生很大的影响,如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。 |
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3 应用中应考虑的问题
3.1 输入偏置电流回路
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一般来说,选择差分信号测量的工作方式时,后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级,相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道,以提供共模电流反馈回路,例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为±5nA。由于仪表放大器的输入阻抗非常高,使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小,对差分信号放大不会产生太大影响。输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入三极管所必须的电流,电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路,如果电路中没有输入偏置电流通道,传感器的输入将处于浮电位状态,而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关）,使输入放大器饱和而失去放大功能。针对实际的应用情况,输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式,分别如图2所示。其中(a)为差分信号源阻抗较高时常用的形式,其中的两个接地电阻相等,以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响;（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）;（c）为对称结构常用的形式。 从图2的三种结构可知,在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当电阻实现的,具体电阻值的大小根据实际情况而定。 3.2 输入共模电压范围 仪表放大器对共模信号有较强的抑制作用,例如INA114,共模抑制比可高达120dB,但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。 |
图3 共模电压与差模电压 |
而所放大的差分信号,是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。图3是一个典型的惠斯通电桥应用电路,桥路供电电压为10V,桥臂电阻如图3中所示。根据其中的条件可以得到共模电压值为5V,而差模电压的大小为0.0144V,经过差分IA后输出为对地的单端信号。其中共模电压由于IA的高共模抑制比而不能通过,放大的是两输入端的差模电压。仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也可以是直流信号,但这是受一定条件限制的,并非任何情况下的共模信号通过时都有同样的抑制比,选择时应注意相应的应用范围。
其一,输入共模电压的范围与供电电压有关,在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时,才有较理想的抑制比。一般仪表放大器的供电电压
允许在很大的范围内变化,如INA114,INA118等在±2.25V到±18V内都可以使用,在一定的应用场合下,如果共模电压较大时,相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。如图3中共模电压为5V,则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上,否则不能使用仪表放大器作为前置信号放大级。其主要原因是IA的前面一组放大器A1、A2容易饱和。
其二,输入共模电压抑制能力与共模电压的频率相关,频率越高,抑制效果越差。
其三,共模电压的抑制能力与增益大小相关,在低增益工作段,共模抑制能力较差;1000左右的放大倍数,共模抑制能力较好。INA114、INA118基本上在1MHz频率范围内的共模抑制能力都能够达到80dB左右。
特别需要注意的是,有时当输入共模电压超过其允许的范围时会出现输出似乎正常的情况,这主要是由于A1、A2放大器输出饱和导致A3放大器测得的输出为零造成的。例如,对于上面提到的INA114,当两个差分输入端电压超过A1、A2的共模输入所允许的范围时,将造成共模抑制比急剧下降,共模信号会有输出,但由于A1、A2饱和,使其输出电压相等,最后使整个放大器共模输出电压为零,给人们造成似乎正常的错觉。
3.3 差分放大器的差模放大倍数
此器件的差模放大倍数由1、8脚之间的外接电阻Rg决定（见图1）,以INA114为例,放大倍数可按下面公式计算
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(1) |
其中50kW 为放大器A1、A2的反馈电阻之和,并且这两个电阻都经过激光调阻修正,以保证精度和温度系数满足使用要求。实际上外接增益调整电阻对放大器的增益精度和温漂影响较大,必须选择温度系数小的高精度电阻。需要强调的是,从上述的增益计算公式中可以看出,对小信号放大需要较大增益时,电阻Rg值较小,如2000倍的增益对应的Rg值为25.01欧姆。如果线路中的电阻与之可比拟,则对放大倍数影响很大,会带来增益误差,在某些情况下,甚至造成增益的不稳定,影响测量精度。因此对于弱信号比较理想的选择是采用多级放大的方式,尽量避免使用放大器的高增益段。同时必须注意外接电阻Rg实际上是引脚1和8之间的阻抗,为了减小增益误差应避免与Rg串联较大的寄生电阻。为了减小增益漂移,外接电阻的温度系数必须很低。
另外增益的大小与被测信号频率高低关系极大。以INA114为例,根据该器件的增益带宽积指标,当输入信号频率在1kHz时,增益大小不能超过1000倍;当输入信号频率为10kHz时,则增益值不能超过100倍。
3.4 调零
仪表放大器一般都通过激光调阻,在通常应用情况下,其本身不存在零点的漂移,但是在应用传感器的数据采集系统中需要对传感器的信号进行A/D转换,即将传感器的信号转换为A/D输入的标准电平,故需要零点调整。调整功能的实现是通过改变仪表放大器的参考电压实现的,放大器A3的实际输入电压等于放大器A1、A2放大后的电压加上参考电压。在实际应用中必须注意参考电压的获取,因为参考端对地的阻抗将影响放大器的共模抑制比,理想的情况是选择低内阻的恒压源作参考电压。与一般调零电路不同,这里可以在普通的调零电路基础上增加一电压跟随器来实现低阻抗的基准电压源。
对于仪表放大器来说,当负载与信号源系统之间地电位不能精确相等时,通过参考端来调零将简化后续电路。在参考端所加调零电压的范围必须在小于电源电压2V以内,且考虑到获取最佳的共模抑制比,寄生电阻同样必须限制到最小值,尽量接近零电阻。因为任何较大的电阻（包括印刷电路布线或其它原因引起的电阻）都将使共模抑制调整失去平衡。
3.5 输入方式、输入保护及前置差分滤波器
1. 输入方式选择
如果数据采集系统的可用通道数不影响信号的采集,应根据信号源的特性来选择输入方式。如果多路输入信号存在一公共端（共地）,选择单端输入方式基本可以满足要求,否则选择差分方式。对于选择差分信号输入,必须考虑到上面提到的一些问题：共模电压范围、工作频率等,当不满足上面提到的条件时,应选择其它的放大器作为数据采集系统的前置放大级,例如OP07系列。
2. 输入保护
在电路设计中,还必须考虑到输入电路的保护。尽管仪表放大器内部都有过载保护电路,但它有一定的范围,而在很多的应用场合下,信号源的供电电压和芯片供电电压不一致,当信号源（例如传感器）出现故障时可能引起信号源的电压直接加在放大器的输入端,当超过允许范围时会损坏放大器。不同厂家提供的仪表放大器,保护范围是不一样的,BB公司提供的INA11´ 具有40V的对地保护电压,而AD公司产品保护的范围要小一些,一般需要设计外接的保护电路,具体可以参见相应产品的设计手册。
3. 前置差分滤波器
在使用仪表放大器的数据采集系统中,当多个信号源的频带不一致的时候,差分信号相互之间存在干扰,这时需考虑滤波器的设计。单端方式输入时,相关滤波器的设计方法介绍较多,可参见相应的资料。对于差分输入存在差分干扰的情况,当干扰信号超过有用信号时,必须考虑设计差分滤波器。差分滤波器必须满足差分输入差分输出,具有高的共模抑制比及低输出阻抗。另外使用差分滤波器还可以增加仪表放大器所允许的共模输入电压范围,图4是一个简单的由阻容元件构成的一阶差分滤波器,其中电阻R1=R2,C1=C2。滤波器的频率特性由RC确定。图中Vdi表示差分输入信号,Vdo表示差分输出信号,将滤波器看成一四端网络,则系统满足如下关系：
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图4 一阶差分滤波器 |
| 式中H（jw ）为滤波器传输函数。
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目前仪器仪表技术已朝着网络化、虚拟化的方向发展,随着各种现场总线及总线接口标准的实施,这种趋势的发展速度将越来越快,而作为其最底层的传感器/执行器本身的智能化是构成这种技术的基础。由于仪表放大器本身所具有的优越性,使其在传感器信号处理中得到了广泛的应用,它将有效地减小传感器信号处理电路所占用的空间,对于构成嵌入式智能传感器有着十分重要的意义。 参 考 文 献 1 Precision Instrumentation Amplifier INA114/118 Data Sheet. Burr-Brown Corporation, 1993 2 Pred Schraff. Choosing differential or single-ended measurements for data acquisition systems. Sensors, 1999.6 3 Gains Programmable Instrumentation Amplifier AD625 Data Sheet. Analog Device Corporation, 1996 4 吴仲城,虞承端. 嵌入式智能传感器的设计. 安徽省仪器仪表, ’99年会,1999.11 5 吴仲城,虞承端. 网络智能化变送器的设计. 中国仪器仪表 |
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图1 仪表放大器的结构原理框图
图2 输入共模偏置电流通道设置的几种形式
