一款被完全误解的器件

作者：Bonnie C. Baker，德州仪器 (TI)

关键字：模拟电路设计、转换器、ADC、工业应用、医疗电子、运算放大器、系统设计、工程教育、物理验证和分析、信号完整性、设计方法

为什么仪表放大器常常被人们误解呢？图 1 所示的 三运放仪表放大器看似为一种简单的结构，因为它使用已经存在了几十年的基本运算放大器 (op amp) 来获得差动输入信号。运算放大器的输入失调电压误差不难理解。运算放大器开环增益的定义没有改变。运算放大器共模抑制 (CMR) 的简单方法自运算放大器时代之初就已经有了。那么，问题出在哪里呢？

图 1 三 运放仪表放大器，其 V_CM 为共模电压，

而 V_DIFF 为相同仪表放大器的差动输入。

单运算放大器和仪表放大器的共用 CMR 方程式如下：

方程式  1

本方程式中，G 相当于系统增益，V_CM 为相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压，而 V_OUT 为相对于变化 V_CM 值的系统输出电压变化。

在 CMR 方面，运算放大器的内部活动很简单，其失调电压变化是唯一的问题。就仪表放大器而言，有两个影响器件 CMR 的因素。第一个也是较重要的因素是，涉及第三个放大器（图 1，A₃）电阻比率的平衡问题。例如，如果 R₁ 等于 R₃，R₂ 等于R₄，则理想状况下的 三运放仪表放大器 CMR 为无穷大。然而，我们还是要回到现实世界中来，研究 R₁、R₂、R₃ 和 R₄ 与仪表放大器 CMR 的关系。

具体而言，将 R₁：R₂ 同 R₃：R₄ 匹配至关重要。结合 A₃，这 4 个电阻从 A₁ 和 A₂的输出减去并增益信号。电阻比之间的错配会在 A₃  输出端形成误差。方程式 2 在这些电阻关系方面会形成 CMR 误差：

     方程式 2

例如，如果 R₁、R₂、R₃ 和 R₄ 接近相同值，且 R₃：R₄ 等于 R₁/R₂ 的 1.001，则该 0.1% 错配会带来仪表放大器 CMR 的降低，从理想水平降至 66 dB 级别。

根据方程式 1，仪表放大器 CMR 随系统增益的增加而增加。这是一个非常好的特性。方程式 1 可能会激发仪表放大器设计人员确保有许多可用增益，但是这种方法存在一定的局限性。A₁ 和 A₂ 开环增益误差和噪声。放大器的开环增益等于 20 log (ΔV_OUT/ΔV_OS)。随着 A₁ 和 A₂ 增益的增加，放大器开环增益失调误差也随之增加。A₁ 和 A₂ 的输出振幅变化一般涵盖电源轨。仪表放大器增益更高的情况下，运算放大器的开环增益误差和噪声占主导。通过 RSS 公式，这些误差降低了更高增益下的仪表 CMR。因此，您会看到仪表放大器的 CMR 性能值往往会在更高增益时达到较大值。

因此，从 CMR 角度来看，仪表放大器就像是一个在不同系统增益下器件各部分都诱发 CMR 误差的系统。当您对器件的内部原理进行研究时，它便不再如此神秘。您把各个部分都分开来，就会一目了然。

参考文献

·         《并非所有 INA 的 CMRR 都相等》，作者：Baker, Bonnie，《电子世界》，2008 年 12 月。

·          《仪表放大器的正确使用方法》，作者：Kitchin, Counts，EDN，2005 年 9 月 15 日。

·         如欲了解运算放大器和其他放大器的更多详情，敬请访问：http://focus.ti.com.cn/amplifiersandlinear。

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