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  • 2022-03-04 15:15:50

    在这篇文章中,我将讨论在设置仪表放大器(INA)的PCB时常见的错误,然后展示一个合适的INA布局的例子。

    INAs用于需要微分电压放大的应用,例如在高侧电流传感应用中测量通过分流电阻的电压。图1是典型单电源高侧电流传感电路的示意图。
    在这里插入图片描述

    图1:高侧电流传感示意图


    在图1中,通过RSHUNT测量一个差分电压,R1、R2、C1、C2和C3提供输入共模和差分模滤波。R3和C4为INA, U1提供输出过滤。U2缓冲INA的参考引脚。R4和C5形成一个低通滤波器,使运放引入到INA参考引脚的噪声最小化。

    虽然图1中的原理图的布局看起来很简单,但在PCB布局中很容易出错,从而降低电路性能。图2显示的PCB布局有三个错误,我们在TI检查INA布局时经常看到。
    在这里插入图片描述

    图2:INA的常见PCB布局

    第一个错误是如何通过电阻测量差电压,Rshunt。

    注意,从Rshunt到R2的轨迹要短得多,因此比从Rshunt到R1的轨迹有更小的阻力。由于INA的输入偏置电流,迹阻抗的这种差异可能在U1的输入处产生一个差分电压。由于INA的工作是放大差动电压,在输入处有不平衡的轨迹会导致误差。因此,保持INA的输入轨迹尽可能的平衡和短。

    第二个错误与INA Rgain的增益设定电阻有关。

    从U1的引脚到Rgain的引脚的导线比需要的要长,这就产生了额外的电阻和电容。具有额外的电阻可能会在INA的期望增益中引入误差,因为增益取决于INA的增益设置针脚之间的电阻,针脚1和8。额外的电容可能会导致稳定性问题,因为INA的增益设置引脚连接到INA内部的反馈节点。因此,保持连接到增益设定电阻的痕迹尽可能短。

    第三个错误,参考引脚缓冲电路的定位可能需要改进。

    参考引脚缓冲电路定位在远离参考引脚的地方,这增加了连接到参考引脚的电阻,并为噪声和其他信号耦合到跟踪打开了可能性。参考引脚上的附加电阻将降低大多数INAs提供的高共模抑制比(CMRR)。因此,将参考引脚缓冲电路尽可能靠近INA的参考引脚。
    在这里插入图片描述

    图3显示了纠正这三个错误的布局。

    在图3中,您可以看到从分流电阻R1和R2的轨迹是相等的长度和开尔文连接。从增益设定电阻到INA引脚的轨迹尽可能短,参考缓冲电路尽可能接近参考引脚。

    下次你为INA设计PCB时,一定要遵循以下指导原则:

    • 保持输入上的所有痕迹完全平衡。
    • 减小增益固定引脚上的跟踪长度和电容。
    • 将参考缓冲电路放置在INA的参考引脚附近。
    • 将去耦电容器放置在尽可能靠近电源引脚的地方。
    • 至少倒出一个坚实的地面。
    • 不要牺牲良好的布局来使用丝印标记组件。
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    仪表放大器也被称为INO,正如名字所示,它会放大电平的变化并像其他运放一样提供一个差分输出。但和其它普通放大器不同的是,当以完全差分输入的共模噪声抑制时,仪表放大器会有着较高的阻抗和不错的增益。考虑到仪表放大器的IC比普通运放要贵,于是很多工程师就想能否用普通的运放组成仪表放大器?答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪表放大器。电路如下图所示:  
    在这里插入图片描述

    输出电压表达式如图中所示。

    看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的? 为何上述电路可以实现仪表放大器?下面我们就将探讨这些问题。在此之前,我们先来看如下我们很熟悉的差分电路:

    干货!如何用运放组成仪表放大器?

    如果R1 = R3,R2 = R4,则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)

    这一电路提供了仪表放大器功能,即放大差分信号的同时抑制共模信号,但它也有些缺陷。首先,同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ,而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍,即200 kΩ。因此,当电压施加到一个输入端而另一端接地时,差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。)

    另外,这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密,否则,每个输入端的增益会有差异,直接影响共模抑制。例如,当增益等于 1 时,所有电阻值必须相等,在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 , 其CMR便 下 降 到 66 dB(2000:1)。同样,如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。

    为解决上述问题,我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示:

    干货!如何用运放组成仪表放大器?

    以上前置的两个运放作为电压跟随器使用,我们现在改为同相放大器,电路如下所示:

    干货!如何用运放组成仪表放大器?

    输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益(A1 和 A2)时,它对差分信号增加相同的增益,也对共模信号增加相同的增益。也就是说,上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。

    下面,要开始最巧妙的变化了!看电路先:

    干货!如何用运放组成仪表放大器?

    这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样,上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而,在这种结构中,单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间,取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压,因此,整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后(在A1 和A2的输出端)的差分电压呈现在R5,RG和R6这三只电阻上,所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

    这种连接有另外一个优点:一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后,在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 = R6,R1= R3和R2 = R4,则VOUT = (VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN,所以流过RG的电流等于VIN/RG,因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位,从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG(也就无电流流过R5和R6),放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此,共模信号将以单位增益通过输入缓冲器,而差分电压将按〔1+(2 RF/RG)〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1+(2 RF/RG)〕倍!

    在理论上表明,用户可以得到所要求的前端增益(由RG来决定),而不增加共模增益和误差,即差分信号将按增益成比例增加,而共模误差则不然,所以比率〔增益(差分输入电压)/(共模误差电压)〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加,这是一个非常有用的特性。

    最后,由于结构上的对称性,输入放大器的共模误差,如果它们跟踪,将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。

    到这里,我们导出了这个经典电路的;来龙去脉: 差分放大器–》前置电压跟随器–》电压跟随器变为同相放大器–》三运放组成的仪用放大器。

    本文来源:《干货!如何用运放组成仪表放大器?》

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    仪表放大器是一个特殊的差动放大器,具有超高输入阻抗,极其良好的CMRR,低输入偏移,低输出阻抗,能放大那些在共模电压下的信号。

    随着电子技术的飞速发展,运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器,它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部,其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件,具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定,而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号,其增益即可由内部预置,也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

    特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开路增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。

    虽然仪表放大器在线路图上是一颗运算放大器;但实际上是由三颗运算放大器所组成(如图一所示);仪表放大器分成两个部份,输入端的两个电压随耦器提供输入端(+,?)高输入阻抗,后级则是差动放大器,用来做两个输入端的差动放大;不过,通常第二级的差动放大器的增益会设计为1,也就是只做两个电压的相减运算。 而仪表放大器的增益由电阻

    >来决定。

    最常用的仪表放大器电路如图所示。电路的增益为:

    最右边的放大器,电阻标记

    是标准差动放大器线路,gain =

    ,而差动输入电阻=2*

    ;左边两个放大器则是输入的缓冲;当

    被移除(开回路)时,两个缓冲级只是单位增益缓冲器;在这个状态之下,增益等于

    而缓冲级提供高输入阻抗。缓冲器的增益可以增加因为放在负输入和接地之间的电流所产生的分流的负反馈。

    而在两个反向输入放入一颗电阻

    的优点在于:增加缓冲级的差模增益,而使共模增益等于1。

    如果单独存在时有同样的增益时,将会增加电路的共模互斥比(CMRR),会使得缓冲器可以处理更大的共模信号。

    的另一个好处是,只用一颗电阻来提更增益,而不是一对,可以避免电阻匹配问题(虽然两个

    需要匹配的增益)

    增益可以透过只改变

    的值,而改变放大器的增益不需要改变其他的电阻匹配。

    理想的仪表放大器的共模增益为零。在图中所示的电路,共模增益的值不匹配引起的同样编号电阻和两个输入运算放大器的共模增益不匹配。

    在制作这个线路最困难的地方,是在优化运算放大器的输入共模性能时,需要取得非常接近的匹配电阻

    仪表放大器也可以是一个内置2个运算放大器,以节省成本和提高共模抑制比(CMRR),但增益必须高于2(六分贝)

    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VCM为共模电压,而VDIFF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享CMR方程式如下:

    本方程式中,G相当于系统增益,VCM为相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压,而VOUT为相对于变化VCM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。第一个也是最重要的因素是,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:

    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66dB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20log(ΔVOUT/ΔVOS)。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最大值。

    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。

    仪表放大器的特点

    ● 高共模抑制比

    共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d) 与共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR 典型值为 70~100 dB 以上。

    ● 高输入阻抗

    要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为 10^9~10^12Ω.

    ● 低噪声

    由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在 1 kHz 条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于 10 nV/ Hz.

    ● 低线性误差

    输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0. 01 % ,有的甚至低于 0. 0001 %.

    ● 低失调电压和失调电压漂移

    仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为 100μV 和2 mV.

    ● 低输入偏置电流和失调电流误差

    双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA~50 pA ;而 FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50 pA.

    ● 充裕的带宽

    仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz~4 MHz 之间。

    ● 具有“检测”端和“参考”端

    仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降( IR) 的影响可减至最小。

    『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』

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    在这里插入图片描述
    由于上述表达式的成立,可以看出,它完全抑制掉了输入端存在的共模电压信号,因此仪表放大器具有极高的共模抑制比 CMRR
    它与减法器的区别是,第一,它的输入端是高阻的,即输入电阻接近无穷大;第二,它的增益通常是一个电阻调节的,使用者非常容易实施控制。加之它内部的电阻也是集成工艺生产的,匹配性很好,因此说,它彻底解决了减法器存在的那三个问题。
    下图是由三个运算放大器组成的仪表放大器的原理电路,简称为三运放仪表放大器。图中的小圆圈,代表实际仪表放大器的输入输出管脚。
    根据虚短虚断法,列出等式如下:
    在这里插入图片描述
    根据叠加定理,得:

    在这里插入图片描述
    仪表放大器总增益:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    由一个外部电阻Rg,即可控制电路增益。注意,Rg可以悬空,但不能短路。
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