仪表放大器有什么特点 仪表放大器 仪表放大器有什么用
仪表放大器(仪表放大器的特性和职业电压的配置技巧)
在工业传感领域，仪表放大器的应用最为广泛。与一般放大器相比，它具有较高的输入阻抗和较强的抗共模干扰能力，能够保证放大电路在强噪声环境下的增益和精度。然而，需要注意仪表放大器职业电压配置的复杂性。这篇文章小编将讨论了仪表放大器的特点和有效职业电压的配置技巧。
1仪表放大器的定义和特性。
仪表放大器(INA)的典型结构如图3.1所示，其内部由三个放大器组成。第一阶段，两个放大器(AMP1、AMP2)组成同相放大电路，实现高阻抗差分输入，内置反馈电阻Rf1、Rf2通过外部配置的电阻Rg调节增益。第二级用放大器(AMP3)构成差分电路，R1、R2、R3、R4为校准后的高精度匹配电阻。顺带提一嘴，输出电压的基准电压通过ref引脚进行调整。
图3.1仪表放大器结构。
仪表放大器输入阻抗通常为g类，如图3.2所示，AD8421的共模和差模输入阻抗均为30G。
图3.2 AD8421输入特性。
仪表放大器的增益配置由内部Rf1、Rf2和外部Rg电阻实现。由于每个仪表放大器的内部反馈电阻不同，因此需要通过数据手册进行确认。如图3.3所示，AD8421的增益如公式3-1所示。
增益Rg满足公式3-2。
图3.3 ad 8421引脚功能描述。
仪表放大器的基准引脚用于调整输出信号的基准电压。如图3.1所示，REFerence引脚ref位于电阻R4的一端，通常为k电平。为了获得最佳性能，驱动基准引脚时，不能使用电阻分压直接驱动。相反，在电阻的输出端增加一个放大器进行缓冲，接着将其提供给基准引脚，如图3.4所示。
图3.4 ad 8421参考引脚的驱动模式。
2仪表放大器的有效职业配置。
仪表放大器和差分放大器的目的是放大输入差模信号，但只关注差模信号而忽略共模信号会产生难题。
2017年11月初，测量领域的一位工程师给出反馈难题，他用AD8221的数据表推荐电路，如图3.5(a)所示。10V单端信号转换为+5V差分信号，驱动σ-δ型模数转换器。在测试中，使用信号源产生幅度为1V的DC信号，作为激励与电路连接。AD8221电路的输出信号如图3.5(b)所示。
工程师们希望用这个电路实现万用表的电压测量功能，检测指定范围内任意两点的电压。目前，这个电路无法职业。知道这一点后，我请工程师检查测量电路和信号源之间是否有公共接地。答案是否定的，信号源连接到AD8221的两个输入端，没有其他电气连接。
图3.5 ad 8221的应用电路及测试。
我帮助工程师分析仪表放大器的模型，如图3.1所示。放大的差模信号Vdiff是以地电位为基准的两个输入端之间的电压差，如公式3-3所示。
两个输入都有共模信号，该信号等于两个输入和地之间的平均电压，如公式3-4所示。
仪表放大器电路的第一级放大器的输出电压va和VB分别由公式3-5和3-6表示。
当差模信号和共模信号在输入范围内时，仪表放大器可以正常职业，输出电压Vo由公式3-7给出。
目前测试的难题是两个输入信号没有参考电位，建议将AD8221的一个输入端接电路板的地电位，经工程师修改后电路职业正常。
在这种情况下，判断AD8221仪表放大器的输入信号和输出信号是否在有效范围内的技巧是使用菱形图。在指定增益和指定电源电压范围内，输入共模电压和输出电压范围之间的有效间隔。如图3.6(a)所示，AD8221的电路增益为1倍。当电源电压为5V时，输入共模电压和输出电压处于绿色阴影区，电路职业有效。当电源电压为15V时，输入共模电压和输出电压在红色阴影区，电路职业有效。如图3.6(b)所示，AD8221的电路增益为100倍。当电源电压为5V时，输入共模电压和输出电压处于蓝色阴影区域，电路职业有效。电源电压为15V，输入共模电压和输出电压在紫色阴影区，电路职业有效。
图3.6 ad 8221的菱形图。
数据手册通常提供一些典型电源电压值的菱形图，无法满足工程师的多样化需求，给工程师的设计职业带来诸多不便。因此，我推荐一个在线评估工具，我已经用它帮助20多名工程师快速发现设计难题。建议在设计之初使用工具进行评估。赛道网站是:
https://www.analog.com/designtools/en/precisionstudio/
图3.7显示了ADI公司精密信号在线设计工具的界面。选择“仪表放大器”进入仪表放大器配置窗口，如图3.8(a)所示。通过选项1选择要评估的器件AD8221，接着在选项2中将其配置为差分输入架构。接下来，将电源电压Vs配置为10V，将参考电压VREF配置为0V，将增益配置为100，将输入共模电压Vcm配置为5V，将输入差模电压Vdiff配置为50mV。电路配置情形下的菱形图如图3.8(b)所示。25℃时，输出电压Vout和输入共模电压Vcm形成的面积。
图3.7精密信号链设计工具。
图3.8 ad 8221的有效职业配置。
如图3.9所示，当输入共模电压调整到6V时，这种配置的电路会给出故障提示，AD8221内部节点电压受电源电压限制，整流方式包括:
(1)缩小输入信号范围。
(2)进步AD8221的电源电压。
(3)降低AD8221的增益。
(4)更换设备。
图3.9 ad 8221的异常职业配置。
聊了这么多，仪表放大器的职业电气配置与一般放大器的职业电压配置有很大不同。因此，如果不输入差模信号、共模信号和参考源电压(包括驱动模式)，电路可能难以正常职业。
