4.3.2仪表放大器

特殊运算放大器（二）

仪表放大器

位于书本的4.3.2节

前面说了差分放大器是没有办法处理高内阻信号的

而且放大倍数呢也只有固定的值

那么对差分放大器无法处理高内阻信号的基本改进思路呢

就是输入端用缓冲器加以隔离，如图所示

对电路进行仿真

信号源内阻从 0Ω 变化到 10k

我们看直流传输特性

输出信号一直是 1V

结果表明呢缓冲器完美的解决了输入阻抗问题

那么对于放大倍数可调这个解决方案也可以依靠缓冲器

我们对缓冲器环节加以改进把它变为同相比例放大

增加电阻 R6 至 R8、R9 用于改变放大倍数

那么电路的放大倍数呢

当 R6=R7，R8=R9 的时候

放大倍数呢实际上就是 R6/R8，1+R6/R8

同相比例放大，放大两个的差值

那么更进一步由于电路的对称

R8，R9 中间的接地可以省略

那么这两个电阻呢可以合并一个电阻

称为 RG，用于调整放大倍数

那么黄线框中呢就是传说中的三仪表运算放大电路

我们看放大倍数的计算

R6 除以半个 RG

这是同相比例放大电路的比值

那么反过来就是 1+2R6/RG

如果将 RG 以外的全部电阻集成到芯片内部

那么我们就可以只改变 RG 来调节电路的放大倍数

那么减法电路的特性呢不受影响

这些电阻在内部都是精确的

如图所示为三运放仪表放大器 INA128/129 的原理图

它俩的区别呢是公式不一样

一个是 50kΩ/RG，一个是 49.4kΩ/RG

这个小数的目的呢是为了就合电阻的档位精度

那么我们可以看到它的计算公式

25k 除以一半的 RG，除以 RG/2，也就是 50k 除以 RG

仪表放大器的缺点

那么仪表放大器解决了差分放大器

输入阻抗不够高，放大倍数不够大两个缺点

但是也带来了一个问题

那就是原本差分放大器可以输入比运放本身高得多的信号电压

我们看这样一个电路

我希望对 100V 和 120V 的电压

让它取差值我要产生这个电压出来

缩小十倍

但是呢直接测的电压是 100V 和 120V

没有任何我们通常能见到的运放能够承受如此高的电压

当然仪表放大器也不行

而差分放大器就可以

因为实际信号虽然你这是 120V 和 100V

但是到达我差分放大器运放管脚内部运放管脚的时候

这个电压已经由于电阻分压降下来了

差不多降到 9V

这个时候呢就可以处理了

我们仿真

输入电压 9V 左右，9.1V

输出电压 -2V

120V-100V，20V，降低10倍

2V，-2V，符合理论计算

我们看低成本的双运放仪表放大器

我们在仪表放大器里面

我们把价钱选择最低，看5.4

0.54美元的是哪个型号，INA332

我们看它的内部原理

A1、A2 两个运放构成固定增益的仪表放大器

A3 呢专门负责增益调节

它可以像332这样集成在芯片内部，也可以外接

所以这种构架呢因为这种构架必须得是 A1 和 A2

它就叫做双运放仪表放大器

原理分析

我们首先呢用 A2 去做一个不完美的减法电路

一个信号从同相端输入一个信号从反相端输入

我们之前学减法电路学过

它俩放大倍数不一样

不是一个完美的减法我们先不管先这样

那么呢我们再用 A1 来做缓冲器

反相输入端阻抗不够高

我把你隔离一下，缓冲一下再输入

这样两个输入端的阻抗都是无穷大了

但是呢这个电路不完美

因为反相输入端这个地方

它的放大倍数呢是-2倍

而同相端的放大倍数是3倍

那么继续进行改进

我们把 A1 由缓冲器改成一个1.5倍的放大电路

这是个同相比例放大

最后呢是放大1.5倍

1.5倍乘以2，也是3倍

这样呢我们把反相端输入不够的放大倍数给它补偿回来了

因此推导放大倍数以后就是

3倍的 V+ - V-

只要黄色虚线框里面的电阻是精确的

那么电路呢这个电路就可以精确的放大信号差值

而且呢输入阻抗无穷大

都是直接输入给运放的同相端

这就是固定3倍增益的双运放仪表放大器

我们另外增加运放R3，A3来调整放大倍数

放大倍数变为呢原先是3倍

再乘以4倍，一共是12倍

运放A3并非仪表放大器的必要组成部分

可以集成也可以外接

仿真

12倍放大

输入信号分别为 1.1V 和 1V

那么输出信号放大12倍

1.2V正弦波

那么红圈所在的位置呢是 REF 电位参考端

它可以接地，也可以不接地接其它直流电源

比如说我们在这里接了 300mV

那么它的效果呢

实际上就是相当于

把输出信号抬升一个直流电位 300mV

对于三运放仪表放大器的 REF 端的功能也是一样的

REF 用于调节输出的直流电位

332这种构架的双运放仪表放大器的成本比较低

但是它的两个输入端不是完全对称的

它的性能指标上不如三运放的一个放大器

本课小结

仪表放大器的原理

首先它通过缓冲器来隔离输入信号的内阻

有病治病无病强身

加了缓冲器就可以输入高速信号

这是肯定的

然后呢将缓冲器变为同相比例放大电路

放大倍数的调节

通过同相比例来调节

又因为对称性，所以简化为外部只有一个电阻

只有一个电阻才能够避免精度问题

对不对称，比例协不协调，我只有一个就无所谓

双运放仪表放大器的原理是两个运放

其中一个运放呢构成一个1.5倍放大

缓冲一下并且呢

1.5倍的放大倍数来构成减法电路

这样呢就能构成一个固定3倍增益的仪表放大器

那么另外加一个运放单独用来调节放大倍数

这个A3呢可以集成在内部也可以不集成在内部

好，这节课就到这里

特殊运算放大器（二）

仪表放大器

位于书本的4.3.2节

前面说了差分放大器是没有办法处理高内阻信号的

而且放大倍数呢也只有固定的值

那么对差分放大器无法处理高内阻信号的基本改进思路呢

就是输入端用缓冲器加以隔离，如图所示

对电路进行仿真

信号源内阻从 0Ω 变化到 10k

我们看直流传输特性

输出信号一直是 1V

结果表明呢缓冲器完美的解决了输入阻抗问题

那么对于放大倍数可调这个解决方案也可以依靠缓冲器

我们对缓冲器环节加以改进把它变为同相比例放大

增加电阻 R6 至 R8、R9 用于改变放大倍数

那么电路的放大倍数呢

当 R6=R7，R8=R9 的时候

放大倍数呢实际上就是 R6/R8，1+R6/R8

同相比例放大，放大两个的差值

那么更进一步由于电路的对称

R8，R9 中间的接地可以省略

那么这两个电阻呢可以合并一个电阻

称为 RG，用于调整放大倍数

那么黄线框中呢就是传说中的三仪表运算放大电路

我们看放大倍数的计算

R6 除以半个 RG

这是同相比例放大电路的比值

那么反过来就是 1+2R6/RG

如果将 RG 以外的全部电阻集成到芯片内部

那么我们就可以只改变 RG 来调节电路的放大倍数

那么减法电路的特性呢不受影响

这些电阻在内部都是精确的

如图所示为三运放仪表放大器 INA128/129 的原理图

它俩的区别呢是公式不一样

一个是 50kΩ/RG，一个是 49.4kΩ/RG

这个小数的目的呢是为了就合电阻的档位精度

那么我们可以看到它的计算公式

25k 除以一半的 RG，除以 RG/2，也就是 50k 除以 RG

仪表放大器的缺点

那么仪表放大器解决了差分放大器

输入阻抗不够高，放大倍数不够大两个缺点

但是也带来了一个问题

那就是原本差分放大器可以输入比运放本身高得多的信号电压

我们看这样一个电路

我希望对 100V 和 120V 的电压

让它取差值我要产生这个电压出来

缩小十倍

但是呢直接测的电压是 100V 和 120V

没有任何我们通常能见到的运放能够承受如此高的电压

当然仪表放大器也不行

而差分放大器就可以

因为实际信号虽然你这是 120V 和 100V

但是到达我差分放大器运放管脚内部运放管脚的时候

这个电压已经由于电阻分压降下来了

差不多降到 9V

这个时候呢就可以处理了

我们仿真

输入电压 9V 左右，9.1V

输出电压 -2V

120V-100V，20V，降低10倍

2V，-2V，符合理论计算

我们看低成本的双运放仪表放大器

我们在仪表放大器里面

我们把价钱选择最低，看5.4

0.54美元的是哪个型号，INA332

我们看它的内部原理

A1、A2 两个运放构成固定增益的仪表放大器

A3 呢专门负责增益调节

它可以像332这样集成在芯片内部，也可以外接

所以这种构架呢因为这种构架必须得是 A1 和 A2

它就叫做双运放仪表放大器

原理分析

我们首先呢用 A2 去做一个不完美的减法电路

一个信号从同相端输入一个信号从反相端输入

我们之前学减法电路学过

它俩放大倍数不一样

不是一个完美的减法我们先不管先这样

那么呢我们再用 A1 来做缓冲器

反相输入端阻抗不够高

我把你隔离一下，缓冲一下再输入

这样两个输入端的阻抗都是无穷大了

但是呢这个电路不完美

因为反相输入端这个地方

它的放大倍数呢是-2倍

而同相端的放大倍数是3倍

那么继续进行改进

我们把 A1 由缓冲器改成一个1.5倍的放大电路

这是个同相比例放大

最后呢是放大1.5倍

1.5倍乘以2，也是3倍

这样呢我们把反相端输入不够的放大倍数给它补偿回来了

因此推导放大倍数以后就是

3倍的 V+ - V-

只要黄色虚线框里面的电阻是精确的

那么电路呢这个电路就可以精确的放大信号差值

而且呢输入阻抗无穷大

都是直接输入给运放的同相端

这就是固定3倍增益的双运放仪表放大器

我们另外增加运放R3，A3来调整放大倍数

放大倍数变为呢原先是3倍

再乘以4倍，一共是12倍

运放A3并非仪表放大器的必要组成部分

可以集成也可以外接

仿真

12倍放大

输入信号分别为 1.1V 和 1V

那么输出信号放大12倍

1.2V正弦波

那么红圈所在的位置呢是 REF 电位参考端

它可以接地，也可以不接地接其它直流电源

比如说我们在这里接了 300mV

那么它的效果呢

实际上就是相当于

把输出信号抬升一个直流电位 300mV

对于三运放仪表放大器的 REF 端的功能也是一样的

REF 用于调节输出的直流电位

332这种构架的双运放仪表放大器的成本比较低

但是它的两个输入端不是完全对称的

它的性能指标上不如三运放的一个放大器

本课小结

仪表放大器的原理

首先它通过缓冲器来隔离输入信号的内阻

有病治病无病强身

加了缓冲器就可以输入高速信号

这是肯定的

然后呢将缓冲器变为同相比例放大电路

放大倍数的调节

通过同相比例来调节

又因为对称性，所以简化为外部只有一个电阻

只有一个电阻才能够避免精度问题

对不对称，比例协不协调，我只有一个就无所谓

双运放仪表放大器的原理是两个运放

其中一个运放呢构成一个1.5倍放大

缓冲一下并且呢

1.5倍的放大倍数来构成减法电路

这样呢就能构成一个固定3倍增益的仪表放大器

那么另外加一个运放单独用来调节放大倍数

这个A3呢可以集成在内部也可以不集成在内部

好，这节课就到这里