隨著新一代蜂窩通信 5G 的發展勢頭日漸增強,部署 5G 通信基礎設施的競爭也開始如火如荼地進行。移動運營商們正忙于部署基礎設施,并啟動營銷計劃,以吸引大家升級自己的智能手機服務合同與手機配置,從而充分利用 5G 顯著提高的數據速率。
 
幾乎所有傳感器都會將真實世界里的物理量轉換為電路系統中的電壓值,比如光,溫度和質量等。而電平的變化能幫助我們分析 / 測量這些物理量,但在生物醫學層面的傳感器上,電平變化可能很?。ǖ碗娖叫盘枺?,而持續追蹤每分鐘的變化從而得到可靠數據又非常重要。這時我們就需要用到儀表放大器。
 
儀表放大器也被稱為 INO,正如名字所示,它會放大電平的變化并像其他運放一樣提供一個差分輸出。但和其它普通放大器不同的是,當以完全差分輸入的共模噪聲抑制時,儀表放大器會有著較高的阻抗和不錯的增益?,F在不理解沒有關系,這篇文章會帶你理解儀表放大器,考慮到儀表放大器的 IC 比普通運放要貴,我們來了解一下如何用普通的運放比如 LM385 或 LM324 來打造一個儀表放大器。
 
儀表放大器的 IC 是什么? 

除了平常的運算放大器 IC 之外,我們還有一些特殊的儀表放大器 IC 比如 INA114,。但它也不過是幾個尋常運算放大器結合起來用于特殊情況而已。為了理解,我們從 INA114 的規格書里看下它的內部電路圖。如圖所見,IC 會接收兩個信號電壓 Vin- 和 Vin+,我們將其分別比作 V1 和 V2。則輸出電壓 V0 可以用以下公式
 
V0=G(V2-V1)
 
其中 G 是運算放大器的增益,我們可以用外部電阻 RG 來計算。
 
G=1+(50kΩ/RG)
 
注意:其中的 50kΩ只用于 INA114,因為它使用的是 25kΩ的電阻(25+25=50)。不同 IC 你可以根據其中不同的電路來分別計算。
 
所以其中的運算發達器只提供兩個電壓源間的電平差,而外部電阻則決定其增益。
 
這正是差分放大器的原理,比如上圖中的 A3。所以我們也可以將儀表放大器看做是另一種類型的差分放大器,但它擁有許多優勢,比如高輸入阻抗和簡單的增益控制等。這些優勢則由另外兩個運算放大器來決定的(A2 和 A1)。
 
理解儀表放大器
為了完全理解儀表放大器,讓我們看看下面幾個運放的圖。
 


 
如你所見,儀表放大器是由兩個緩沖放大器和一個差分放大器組成的。
 
差分放大器和儀表放大器的區別
差分放大器的劣勢在于輸入電阻造成的輸入阻抗低,同時還有高共模增益造成的低共模抑制比(CMRR)。而在儀表放大器內,因為緩沖電路的存在,這些都被克服了。
 
同時在差分放大器中,我們需要改變大量電阻來改變放大器的增益值,但儀表放大器內,我們只需改變一個電阻的阻值就可以控制增益。
 
使用運算放大器(LM358)的儀表放大器 
現在讓我們用運算放大器打造一個實際的儀表放大器來看看它的工作原理吧。該儀表放大器的電路如下。

 

 


 

該電路需要 3 個運算放大器,我用了兩個 LM358。因為 LM358 其中有兩個運算放大器,所以只需要兩個 LM358 即可。當然你也可以用三放大器的 LM741 或者是四放大器的 LM324。
 
在以上的電路中,U1:A 和 U1:B 兩個運放用于電壓緩沖,從而實現高輸入阻抗。運放 U2:A 則作為差分放大器。既然差分放大器的所有電阻都是 10kΩ,而輸出電壓的淡雅差為 3 號引腳與 2 號引腳間的電平差。儀表放大器的電路輸出如下式:
 
Vout=(V2-V1)(1+(2R/Rg))
 
其中 R=電路中的電阻。這里 R=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ
Rg=增益電阻。這里 Rg=R1=22kΩ
 
所以等式的右邊括號內其實也就是放大器的增益,由 R 和 Rg 決定。
 
儀表放大器的仿真

以上電路的仿真結果如下
 
 

 
 
我們可以看出輸入電壓為 V1=2.8V,V2=3.3V。R 的值為 10kΩ,而 Rg 的值為 22kΩ。將這些值代入上面的等式可得
 
Vout=(3.3-2.8)(1+(2x10/22))=0.95V。
 
仿真結果與計算值匹配。所以上述電路的增益為 1.9,而電平差為 0.5V。
 
同樣你還可以發現 V1 和 V2 的輸入電壓似乎穿過了電阻 Rg,這是由于 U1:A 和 U1:B 的負反饋。這確保了 Rg 兩端的壓降等于 V1 和 V2 間的電平差,同樣使得流經 R5 和 R6 的電流相同,這樣 U2:A 的引腳 2 和引腳 3 上的電壓差也相同,若是你測量這兩個電阻前 U1:A 和 U1:B 的輸出電壓,你會發現兩者的電壓差與仿真輸出結果相同。
 
儀表放大器電路的硬件測試 
以上都是理論,我們用實際的電路來測試一下,連接方式與結果如下。
 


 
萬用表測得的結果為 0.952 伏,與我們的理論值相符。
 
你還可以改變 R1 的值來改變增益,而這種改變一個電阻阻值來改變增益的方式常用于音頻電路中。