三运放仪表放大器工作原理，双运放仪表放大器与三运放仪表放大器区别

大家好，我是李工。创建并不容易，但我们感谢您的支持。今天我想与大家分享的是仪表放大器。本文主要讲解仪表放大器的工作原理、公式推导以及电路设计。

1. 什么是仪表放大器？仪表放大器是差分放大器的改进版本，具有输入缓冲器，无需输入阻抗匹配，适用于仪器仪表和电子设备。极低的直流偏移、低漂移、低噪声、极高的开环增益、极高的共模抑制比和高输入阻抗等特性使得仪表放大器在电路中使用时具有高精度和稳定性。

仪表放大器主要用于放大小差分信号并提供至关重要的共模抑制(CMR) 功能。消除两个输入上具有相同电位的信号。输入之间存在电位差的信号被放大。

仪表放大器(In-Amp) 用于低频信号(1 MHz)，并提供显着的增益。放大输入信号并抑制输入信号中存在的共模噪声。

仪表放大器

基本上，典型的仪表放大器配置由三个运算放大器和一些电阻器组成。使用高精度电阻器（容差为0.1% 或更好）来实现最高的CMRR（共模抑制比）。

下图2所示为AD620仪表放大器（instrumentationamplifier）芯片的引脚配置和物理外观。这是一款标准的高性能、低成本放大器。采用8 引脚DIP 和SOIC 封装的完全单片式。使用一个外部电阻器可以获得1 到1000 之间的任何增益。根据设计，增益为10 和100 时的固定电阻值是标准的1% 金属膜电阻值。

(a) 引脚分配(b) AD620 仪表放大器

2. 仪表放大器电路仪表放大器通常用于放大低电平信号并抑制噪声和干扰信号。一个好的仪表放大器应满足以下规格： 1、增益有限、准确、稳定

仪表放大器必须放大来自传感器设备的非常低电平的信号，因此高度有限的增益是基本要求，增益也必须准确，并且闭环增益必须稳定。 2. 增益调节变得简单

除了有限且稳定的增益外，还需要在指定的值范围内改变增益因子。增益调整应该更容易、更准确。 3、高输入阻抗

为了避免加载输入源，仪表放大器的输入阻抗应该非常高（理想情况下是无穷大）。 4、输出阻抗低

好的仪表放大器的输出阻抗应该非常低（理想情况下为零），以避免对下一级产生直接负载影响。 5. 高共模抑制比

当通过长电线传输时，传感器输出通常包含共模信号。好的仪表放大器应该只放大差分输入并完全抑制共模输入。因此，理想情况下仪表放大器的CMRR 应为无穷大。 6. 高转换率

仪表放大器的转换速率必须尽可能高，以提供最大输出电压摆幅而不失真。

3. 仪表放大器的工作原理仪表放大器由两个同相放大器和一个差分放大器组成。它由一个带有相应端子的电阻器组成。目标是设计一个具有高CMRR 值和最大信号值且不失真的放大器。

仪表放大器电路

仪表放大器操作需要执行以下步骤：

第一个放大器（例如反相放大器）被认为是缓冲器。从该电路中，我们可以看到这两个缓冲器连接了三个电阻。除了电阻R的增益外，电路中连接的电阻的值将相同。在电路的第1点，电压显示为V1。类似地，在点2 处，假设电压等于V 2 。 R 增益引起的电位降是电压V 和V 之间的差值。因此，电流流过该点，Rgain。这表明没有通过反馈观察到电流。这会导致相同量的电流流过电路上方和下方连接的电阻器。这就是仪表放大器的工作原理。 4、仪表放大器公式推导本节主要讲解仪表放大器的工作原理和输出电压增益的计算。如下图所示，该设计大致可分为两部分：第一级和第二级（差分放大器）。 Vout1 和Vout2 分支连接到第二级差分放大器设计的输入。因此，我们必须首先找到Vout1和Vout2，然后将差分放大器特性应用于这些输入。 1级：

指示电流方向的仪表放大器

该级包含连接在输入V1 和V2 以及输出Vout1 和Vout2 之间的两个放大器和三个电阻器。

首先，我们看一下第一级放大器的V 节点。假设放大器是理想的，因此其开环增益是无穷大。因此，我们可以假设V+上的电压等于V-上的电压。因此，我们可以写成V =V +=V1。同样，对于第一级的底部放大器，我们可以写成V =V +=V2。

如图所示，运算放大器的反相和同相输入端具有无穷大的输入电阻，因此没有电流从输入端流入放大器。因此，来自R1 的电流只能流向Rg。

同样，来自Rgain 的电流必须流经底部放大器的R1。因此，从上电阻R1、Rgain和下电阻R1流过的电流将是相同的。现在我们已经完成了这些设置，我们可以使用差异信号来查找ID 表达式。

仪表放大器官方推导

另外，定义V2-V1=Vd，差分输入信号。

因此，Vout1 Vout2 之间的电压降可以简单地写为Id.R。

仪表放大器官方推导

第2 级（差分放大器级）

现在我们已经找到了Vout2-Vout1，我们可以进入第二阶段。 Vout2-Vout1是第二级的输入，这实际上是一个差分放大器。第二级实际上是一个差分放大器，其差分输入为Vout2 Vout1。

为了简化计算，首先考虑一个简单的差分放大器并找到其电压增益。那么请申请

仪表放大器官方推导

这将在第二阶段变得清晰。

考虑下面图3 中的差分放大器。让我们计算具有输入V1 和V2 的差分放大器的Vout，并将结果代入上面的等式中。

差分放大器

将基尔霍夫电流定律应用于V 和V + 节点。请注意，由于运算放大器是理想的，因此为简单起见，我们可以写成V =V +=Vx。

V - 节点的KCL：

仪表放大器官方推导

将这两个方程相减即可去除Vx。

仪表放大器官方推导

现在回到原来的电路。差分放大器级（第二级）具有V1=Vout1和V2=Vout2。所以，

仪表放大器官方推导

正如我们在上面第一步中发现的，Vd=V2-V1。

我们有

仪表放大器官方推导

其中Vd=V2-V1，差分输入。

5. 仪表放大器电路设计1. 采用LM358 的仪表放大器1) 零件清单

要构建仪表放大器电路，您需要以下组件：

零件清单

2）仪表放大器电路设计

该电路需要三个运算放大器，但这里使用了两个LM358 IC。该电路需要两个运放，因为LM358是由两个运放组成的双运放模块。然而，四封装允许使用三个单封装运算放大器LM741 和一个LM324 运算放大器。

仪表放大器

上述电路中使用U1:A和U1:B运算放大器作为电压缓冲器，以确保高输出阻抗。

U2:A 运算放大器作为运算放大器运行，所有差分运算放大器电阻均为10 k，因此它作为单位增益差分放大器运行。换句话说，输出电压将是U2:A 的引脚3 和引脚2 之间的电压差。 3）仪表放大器计算

仪表放大器电路的输出电压可以使用以下公式测量：

Vout=(V2-V1)(1+(2R/Rg))

其中R=电路电阻。 R=R2=R3=R4=10k R5=R6=R7Rg=电阻增益。 Rg=R1；这里是22k。 R和Rg的值决定了放大器的增益。增益值可以定义为：

增益=(1+(2R/Rg))

电压V1为2.8V，V2为3.3V。 R为10k，Rg为22k。值为10k。将所有这些值输入到上面的公式中。

Vout=(V2-V1)(1+(2R/Rg))

(3.3-2.8)(1+(210/22))

(0.5)*(1.9)

=0.95V

我们的值为0.95V，对应于上面的近似值。如前所述，电路两端的电压差为1.9。该电路测试输入电压之间的差异并将增益乘以输出电压。 2.LM324搭建仪表放大器

如下图所示，采用四颗运放集成电路LM324作为主要元件。其特点是在同一集成芯片内集成了四个功能独立的运算放大器。使用LM324有什么好处呢？换句话来说，可以显着减少因各运放制造工艺差异而导致的器件性能差异。此外，使用集成电源有利于降低电源噪声和提高电路性能指标。电路的基本工作原理保持不变。

LM324仪表放大器

3、AD620搭建仪表放大器电路

该电路采用单片集成芯片AD620作为主要电子元件，如下图所示。它的电路结构简单，由AD620、增益设置电阻Rg和工作电源组成。因此，设计效率非常高。

下图中的电路增益计算公式为G=49.4K/Rg+1。

AD620仪表放大器

4.LM741搭建仪表放大器电路

三运算放大器仪表放大器电路由三个通用运算放大器LM741 组成，并辅以相关的电阻外设。同时在A1、A2的同相输入端增加桥式信号输入电路，如下图所示。

单运放仪表放大器

上图中的A1至A3均可替换为LM741。该电路的工作原理与典型的仪表放大器电路完全相同。

以上就是关于仪表放大器的内容，希望大家支持、点赞、关注我，如果有什么问题请在评论区留言，我们一起讨论。

图片来源于网络