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　　是在有噪声的环境下放大小信号的器件。它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大。仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这个性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。
　　典型的被测信号可以是生物信号，如心电图（ECG）信号或者是来自诸如惠斯登电桥等传感器的微弱信号。由于这些信号源常常具有几千欧姆或更高的输出阻抗，因此仪表放大器需要具有很高的输入阻抗（典型数值在千兆欧姆级）。此外，由于仪表放大器往往要驱动输入阻抗很低的后级电路，如A/D转换器等，因此要求仪表放大器的输出阻抗很低。仪表放大器工作频率通常在直流到1 MHz之间，而在MHz级的速度下，输入电容比输入电阻更为重要，因此这类应用要考虑使用差分放大器。这种差分放大器输入阻抗较低，但速度要快很多。
　　常见仪表放大器
　　差动放大器
　　差动放大器不是仪表放大器，但是有时可以用在仪表放大器的场合。其电路只需一个运算放大器，如图1所示。在对高输入阻抗或者增益没有苛刻要求的场合，使用它是很方便的。
　　该电路的传递函数为：
　　Vout=R1/R2(VA-VB)
　　这一传递函数是在理想运算放大器和理想电阻器匹配条件下得出的。然而，当电阻不完全匹配时，同相放大电路和反相放大电路的传递函数不相等，就会有共模信号泄露出来。以0.1%的电阻匹配误差为例，最差情况下CMRR为54 dB，即10 V的共模信号会产生20 mV的输出误差。
　　差动放大器的优点是结构简单，最主要的缺点是输入阻抗很低。由于增益由R1/R2决定，因此需要在高增益和高输入阻抗间做出折中。此外，将信号分压变小后再进行放大（如同相通路），并不是获得良好噪声性能的方法。对于反相通路而言，加入了额外的电阻，并且反相放大电路的噪声增益总比信号增益高。提高输入阻抗就要求增加电阻的数值，这样将会产生更多的噪声。最后，共模抑制比也受到限制。为了改善这些缺点，第一步是对输入进行缓冲，这样就解决了输入阻抗的问题，如图2所示。
　　在对输入进行缓冲的同时，如果引入一些增益，除了可以得到高阻抗，还会产生很好的噪声性能，如图3所示。
　　电路中差动放大器的噪声仍然存在，但折算到输入端时噪声要除以第一级的增益。由于可以使用阻值非常小的电阻器，因此第一级的噪声可以做得非常低，而且不影响输入阻抗。这种结构的另外一个好处是在高增益时有较宽的带宽。原因是电压反馈放大器具有一定的增益带宽乘积，通过把增益分散到两级放大器，可使每一级的增益比较低，降低差动放大器级的增益，从而不会被增益带宽乘积所限制。然而还有一个没解决的问题就是共模抑制比。图3的电路将共模信号和差分信号都放大了，而所有的共模抑制都在差分放大级实现，因此，很容易超过第一级的输入电压范围。
　　三运放仪表放大器
　　将图3中第一级放大电路中的接地点去掉来解决共模抑制的问题，从而构成三运放结构仪表放大器，如图4所示。
　　第一级电路让共模信号有效地通过，没有任何放大或衰减，第二级差动放大器将共模信号去除。由于额外提升了差分增益，虽然电阻器的匹配状况并没有改善，但是系统的有效共模抑制能力却得到了增强。在实际应用中需要注意：
　　1）必须在第一级提供增益；
　　2）系统的共模抑制不是由前两个放大器的共模抑制比性能决定的，而是取决于两个共模抑制的匹配程度。然而双运算放大器从来不会给出这一指标，因此选择时必须要求CMRR性能指标比需要的目标性能指标至少好6 dB；
　　3）如果电阻器有某些对地的泄露通路，CMRR指标就会降低；
　　4）仪表放大器前面的元件要尽可能设计得平衡。如果仪表放大器同相通路中低通滤波器和反相通路中低通滤波器具有不同截止频率，系统的CMRR特性将会随着频率的升高而降低。
　　对于仪表放大器的第一级，每个运算放大器都要保持其两个电压输入端的电压相同。图4中R4两端的差分电压应当和两个输入端的电压相同，这个电压产生一个电流，流过电阻器R3并产生了放大器的增益。
　　三运放仪表放大器通常会遇到的问题有：
　　1）这一结构放大差分信号，然后去除共模信号。两级电路之间的中间节点载荷着大约一半的差分信号再加上共模信号。须确保这个信号处于运放的工作范围之内。当改变输入电压的共模成分时，如果看到类似于饱和的现象，则应首先检查这里。
　　2）流过R4的电流。当把仪表放大器的增益设置得很高时，R4就会很小，这意味着差分电压很大的时候，R4上产生的电流也会相当大。需要检查这种情况对系统是否有负面作用。
　　3）反馈通路中的电容。反馈通路的走线应尽可能地短，反馈通路过大的电容在高频时会使共模抑制比性能降低。
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Soufiane Bendaoud
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仪表放大器的作用是在出现较大共模电压时放大较小信号，与此同时仪表放大器还需要抑制这些共模电压。正如其通称一样，仪表放大器广泛应用于各类不同的市场，从马达控制、热偶和桥式传感器到电流传感和医疗仪表应用（如ECG和EEG）。仪表放大器经历了漫长的发展过程，最初是采用双运算和三运算放大器（简称运放）的传统仪表放大器，或者是简单的差动差分放大器(DDA)。它们具有不同的拓朴结构，用于满足来自各种不同应用领域的广泛需求。 传统的仪表放大器以双极和JFET工艺为设计基础，可提供宽广的动态范围和良好的信噪比。如今，几乎在所有应用和数据转换器中都使用低电压对信号进行数字化处理，这使得CMOS工艺在仪表放大器领域有了较大的发展和改进。基于CMOS工艺的仪表放大器，具有同等双极和JFET仪表放大器所无法比拟的优点。与双极输入设备相比，CMOS仪表放大器的输入偏置电流非常低，因此容易与单芯片逻辑功能结合以连接ADC。虽然如此，它们也有不足之处。其中一个主要缺点就是与CMOS关联产生的噪声问题，它通常比双极放大器的噪声高很多，特别是处于由闪烁噪声或1/f噪声控制的低频范围内。然而智能设计可以解决这类问题并提供噪声、功耗和速度的最佳组合，以实现最优选择。克服该缺点的一种方法是将CMOS仪表放大器与斩波和自动归零之类的动态偏移补偿技术相结合。自归零与斩波的区别 斩波与自动归零的一个重要区别在于：斩波是调制技术，它会产生大量斩波频率的斩波器噪声；而自动归零是采样技术，它能通过重叠噪声来增强可观察到的低频噪声。将这两种技术相结合的优势在于：通过对放大器进行斩波，可将与自动归零关联的增强低频噪声调制为较高的频率，而自动归零则可降低与斩波关联的斩波器噪声。 具有这种组合拓朴结构的典型例子是美国国家半导体的LMP8358仪表放大器（图1），它能通过SPI兼容串行接口或平行模式，在增益设置（从10到1000）之间进行无低频干扰的转换。但是，由于自动归零和斩波技术会留有少量纹波，因此在将放大器与高分辨率数据转换器连接时，不妨考虑使用有源滤波进行抗混叠滤波。图 1：业界首款具有单芯片诊断功能的零漂移可编程仪表放大器. 将斩波放大器与自动归零相结合，在需要高精确度、低噪声和高增益的应用领域中具有极大的优势。例如，在广泛使用的应变电桥中，必须以较小的满量程电压放大较小差分信号。仪表放大器的低偏移电压和低电压噪声对总误差影响非常小，有助于确保系统的精确度。高开环增益有助于保持较低的增益误差，从而允许在传感器的前端接口中使用仪表放大器，而无需在后续阶段使用昂贵的精密放大器。满足不同需求的不同拓朴结构 仪表放大器的内部架构各不相同，具体取决于仪表放大器的最终应用目标和预定用途。每种架构相对于其它架构而言都有各自的优缺点。例如，传统三运放仪表放大器会限制共模电压范围，因此不适合接地传感应用。而且其共模抑制比(CMRR)受电阻器匹配要求限制。 另一方面，电流反馈拓朴结构提供与电阻器未匹配无关的CMRR，它可以具备接地传感功能，而无需增加可能会产生大量噪声的电荷泵。结合了自动归零和斩波技术的电流反馈拓朴结构（例如LMP8358中包含的拓朴结构），在需要进行精确测量的应用领域具有极多优势。例如，EEG或脑电描记器（脑波活动检测）需要进行至关重要的测量，特别是在生命受到威胁时（图2）。在此类应用中，需要使用高分辨率数据转换器以极低的频率和数字化方式来放大、调整和处理非常小的信号。较低的噪声层对分辨率的影响较小，并可提供更高的位计数，最终获得更清晰的条件信号。小结： 随着电子系统中对自动化的需求不断增加，工程师希望IC可提供以往通过外部电路才能实现的功能。如今，由于人们经常在近距离内使用多个电子系统而产生严重的干扰问题，因此工程师要想获得预期结果，将会面临许多严峻的挑战。工艺控制中的各个工厂车间和医院的手术室，就是在相同地点通常也是相同时间内使用大量仪表的典型区域。从双向无线电到医生的寻呼机再到无处不在的便携式电话，电子系统的存在会产生无法预料的异常状况。 通过增加额外的电路或选择适当器件等方式来采取预防性措施，即可解决此类问题并防患于未然。为了解决这些干扰问题，LMP8358 包含了EMI抑制滤波器，可抑制高达60dB的RF干扰，同时还能通过可编程的带宽保持仅为27nV/√Hz的噪声层。用户还可以通过检测意外短路的输入、降级的来源或与任一电源短路的输入来诊断系统，并可通过SPI接口或平行模式进行灵活的编程。芯片的DC规格使其成为适用于跨大范围应用领域进行精确测量的解决方案。图 2：EEG 因自动归零和斩波仪表放大器的低频噪声而受益. 作者：Soufiane Bendaoud美国国家半导体本文来自电子工程专辑杂志9月刊，拒绝转载
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