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仪表放大器:传感器应用的理想电路

导读: 本文介绍了三运放INA的基础操作,分析了零漂移放大器的优点、RFI输入滤波器、监测传感器健康和可编程增益放大器,并列举了传感器健康监测器和有源屏蔽驱动电路的应用范例。

  许多工业和医疗应用在存在大共模电压和DC电位的情况下,都使用仪表放大器(INA)来调理小信号。三运算放大器(三运放)INA架构可执行该功能,其中输入级提供高输入阻抗,输出级过滤共模电压并提供差分电压。高阻抗与高共模抑制比的结合是流量传感器、温度传感器、称重装置、心电图(ECG)和血糖仪等众多传感器和生物计量应用的关键。

  本文介绍了三运放INA的基础操作,分析了零漂移放大器的优点、RFI输入滤波器、监测传感器健康和可编程增益放大器,并列举了传感器健康监测器和有源屏蔽驱动(active shield guard drive)电路的应用范例。

  三运放INA基础操作

  INA本身的性质使其适用于调理小信号。其高阻抗与高共模抑制比的结合非常适合传感器应用。通过使用输入级的同相输入可实现高输入阻抗,无需靠任何反馈技巧(见图1)。三运放电路可消除共模电压,并以非常小的误差放大传感器信号,但必须考虑输入共模电压(VCM)和差分电压(VD),以免使INA的输入级达到饱和。

  饱和的输入级可能看似对处理电路是正常的,但实际上却具有灾难性后果。通过使用具有轨到轨输入和输出(RRIO)配置的放大器来提供最大设计余量,有助于避免出现输入级饱和。以下讨论介绍了三运放INA的基本操作,并举例说明了放大器如何处理共模和差分信号。

  图1是三运放INA的框图。按照设计,输入被分为共模电压VCM和差分电压VD。其中,VCM定义为两个输入的共用电压,是INA+与INA-之和的平均值,VD定义为INA+与INA-的净差(见式1)。

  式1:

  图1. 三运放INA及其电压节点

  式2给出了由于施加共模电压和差分电压而在INA输入引脚上产生的节点电压(INA+、INA-)。

  式2:

  在非饱和模式下,A1和A2的运放在增益设置电阻RG上施加差分电压,产生电流ID:

  式3:

  因此A1和A2的输出电压为:

  式4:

  将式3代入式4可得:

  式5:

  其中

  式5仅显示被增益G1放大的差分分量VD/2,共模电压VCM经过具有单位增益的输入级,并在随后被放大器A3的共模抑制抵消。此动作有助于INA将共模信号从所需的差分信号上消除,从而得到我们想要的结果。来自各种传感器的差分信号常常被放大100 - 1000倍,以获得测量所需的灵敏度。例子包括精密称重装置、医疗仪器、惠斯通(Wheatstone)电桥和热电堆传感器等等。

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