使用運算放大器的儀表放大器電路

幾乎所有類型的傳感器和換能器都將現(xiàn)實世界的參數(shù)（如光、溫度、重量等）轉(zhuǎn)換為電壓值，供我們的電子系統(tǒng)理解。此電壓電平的變化將幫助我們分析/測量真實世界的參數(shù)，但在生物醫(yī)學(xué)傳感器等某些應(yīng)用中，此變化非常?。ǖ碗娖叫盘枺虼思词故俏⑿〉淖兓惨３指櫼赃M(jìn)行跟蹤非常重要得到可靠的數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用中，使用了儀表放大器。

顧名思義，儀表放大器又名 INO 或儀表放大器可放大電壓變化并提供與任何其他運算放大器一樣的差分輸出。但與普通放大器不同的是，儀表放大器具有高輸入阻抗和良好增益，同時通過全差分輸入提供共模噪聲抑制。如果您現(xiàn)在不明白也沒關(guān)系，在本文中我們將了解這些儀表放大器，并且由于這些 IC 比運算放大器相對昂貴，我們還將學(xué)習(xí)如何使用LM385 或 LM324 等普通運算放大器來構(gòu)建一個儀表放大器并將其用于我們的應(yīng)用。

什么是儀表放大器 IC？

除了普通的運算放大器 IC，我們還有一些特殊類型的儀表放大器放大器，如INA114 IC。它只不過是為某些特定應(yīng)用組合在一起的幾個普通運算放大器。要了解更多相關(guān)信息，請查看 INA114 的數(shù)據(jù)表以了解其內(nèi)部電路圖。

如您所見，IC 接收兩個信號電壓 V IN - 和 V IN +，為了便于理解，我們現(xiàn)在將它們視為 V1 和 V2。輸出電壓 (V O ) 可以使用以下公式計算

V O = G (V2 – V1)

其中，G 是運算放大器的增益，可以使用外部電阻 R G設(shè)置，并使用以下公式計算

G = 1+ (50k Ω/RG)

注意： 50k 歐姆值僅適用于 INA114 IC，因為它使用 25k (25+25 =50) 的電阻器。您可以分別計算其他電路的值。

所以基本上現(xiàn)在如果你看一下，儀表放大器只是提供兩個電壓源之間的差異，增益可以由外部電阻器設(shè)置。

是的！這正是差分放大器的作用，如果仔細(xì)觀察，您甚至可以發(fā)現(xiàn)上圖中的運算放大器 A3 只不過是一個差分放大器電路。因此，通俗地說，儀表放大器是另一種差分放大器，但具有更多優(yōu)勢，例如高輸入阻抗和易于增益控制等。這些優(yōu)勢是因為設(shè)計中的其他兩個運算放大器（A2 和 A1），我們將在下一個標(biāo)題中了解更多信息。

了解儀表放大器

為了完全理解儀表放大器，讓我們將上圖分解成有意義的塊，如下所示。

如您所見，儀表放大器只是兩個緩沖運算放大器電路和一個差分運算放大器電路的組合。我們已經(jīng)分別了解了這兩種運算放大器的設(shè)計，現(xiàn)在我們將了解如何將它們組合起來形成差分運算放大器。

差分放大器和儀表放大器的區(qū)別

我們已經(jīng)在上一篇文章中學(xué)習(xí)了如何設(shè)計和使用差分放大器。差分放大器的幾個明顯缺點是，由于輸入電阻器，它具有非常低的輸入阻抗，并且由于高共模增益，它具有非常低的 CMRR。由于緩沖電路，這些將在儀表放大器中克服。

同樣在差分放大器中，我們需要改變很多電阻來改變放大器的增益值，但在差分放大器中，我們可以通過簡單地調(diào)整一個電阻值來控制增益。

使用運算放大器 (LM358) 的儀表放大器電路圖

現(xiàn)在讓我們使用運算放大器構(gòu)建一個實用的儀表放大器并檢查它是如何工作的。我正在使用的運算放大器儀表放大器電路如下所示。

該電路總共需要三個運算放大器；我用過兩個 LM358 IC。LM358是一款雙封裝運算放大器，它在一個封裝中有兩個運算放大器，因此我們的電路需要其中兩個。同樣，您也可以使用三個單封裝 LM741 運算放大器或一個四封裝 LM324 運算放大器。

在上述電路中，運算放大器 U1:A 和 U1:B 充當(dāng)電壓緩沖器，有助于實現(xiàn)高輸入阻抗。運算放大器 U2:A 用作差分運算放大器。由于差分運算放大器的所有電阻均為 10k，因此它充當(dāng)單位增益差分放大器，這意味著輸出電壓將是 U2:A 的引腳 3 和引腳 2 之間的電壓差。

儀表放大器電路的輸出電壓可以使用以下公式計算。

Vout = (V2-V1)(1+(2R/Rg))

其中，R = 電路的電阻值。這里 R = R2=R3=R4=R5=R6=R7 即 10k

              Rg = 增益電阻。這里 Rg = R1 即 22k。

所以R和Rg的值決定了放大器的增益。增益值可以計算為

增益 = (1+(2R/Rg))

儀表放大器電路仿真

上面的電路在仿真時給出以下結(jié)果。

如您所見，輸入電壓 V1 為 2.8V，V2 為 3.3V。R的值為10k，Rg的值為22k。將所有這些值放在上面的公式中

Vout = (V2-V1)(1+(2R/Rg)) = (3.3-2.8)(1+(2x10/22)) = (0.5)*(1.9) = 0.95V

我們得到的輸出電壓值為 0.95V，這與上面的仿真相符。所以上述電路的增益為1.9，壓差為0.5V。所以這個電路基本上會測量輸入電壓之間的差異并將其乘以增益并將其作為輸出電壓產(chǎn)生。

您還可以注意到輸入電壓 V1 和 V2 出現(xiàn)在電阻器 Rg 上，這是由于運算放大器 U1:A 和 U1:B 的負(fù)反饋。這確保了 Rg 兩端的電壓降等于 V1 和 V2 之間的電壓差，這導(dǎo)致等量的電流流過電阻器 R5 和 R6，從而使引腳 3 和引腳 2 上的電壓在運算放大器 U2:A 上相等。如果您在電阻器之前測量電壓，您可以看到運算放大器 U1:A 和 U1:B 的實際輸出電壓，它們的差異將等于上面模擬中顯示的輸出電壓。

本文由IC先生www.mrchip.cn編輯整理，請勿轉(zhuǎn)載。