使用运算放大器的仪表放大器电路

几乎所有类型的传感器和换能器都将现实世界的参数（如光、温度、重量等）转换为电压值，供我们的电子系统理解。此电压电平的变化将帮助我们分析/测量真实世界的参数，但在生物医学传感器等某些应用中，此变化非常小（低电平信号），因此即使是微小的变化也要保持跟踪以进行跟踪非常重要得到可靠的数据。在这些应用中，使用了仪表放大器。

顾名思义，仪表放大器又名 INO 或仪表放大器可放大电压变化并提供与任何其他运算放大器一样的差分输出。但与普通放大器不同的是，仪表放大器具有高输入阻抗和良好增益，同时通过全差分输入提供共模噪声抑制。如果您现在不明白也没关系，在本文中我们将了解这些仪表放大器，并且由于这些 IC 比运算放大器相对昂贵，我们还将学习如何使用LM385 或 LM324 等普通运算放大器来构建一个仪表放大器并将其用于我们的应用。

什么是仪表放大器 IC？

除了普通的运算放大器 IC，我们还有一些特殊类型的仪表放大器放大器，如INA114 IC。它只不过是为某些特定应用组合在一起的几个普通运算放大器。要了解更多相关信息，请查看 INA114 的数据表以了解其内部电路图。

如您所见，IC 接收两个信号电压 V IN - 和 V IN +，为了便于理解，我们现在将它们视为 V1 和 V2。输出电压 (V O ) 可以使用以下公式计算

V O = G (V2 – V1)

其中，G 是运算放大器的增益，可以使用外部电阻 R G设置，并使用以下公式计算

G = 1+ (50k Ω/RG)

注意： 50k 欧姆值仅适用于 INA114 IC，因为它使用 25k (25+25 =50) 的电阻器。您可以分别计算其他电路的值。

所以基本上现在如果你看一下，仪表放大器只是提供两个电压源之间的差异，增益可以由外部电阻器设置。

是的！这正是差分放大器的作用，如果仔细观察，您甚至可以发现上图中的运算放大器 A3 只不过是一个差分放大器电路。因此，通俗地说，仪表放大器是另一种差分放大器，但具有更多优势，例如高输入阻抗和易于增益控制等。这些优势是因为设计中的其他两个运算放大器（A2 和 A1），我们将在下一个标题中了解更多信息。

了解仪表放大器

为了完全理解仪表放大器，让我们将上图分解成有意义的块，如下所示。

如您所见，仪表放大器只是两个缓冲运算放大器电路和一个差分运算放大器电路的组合。我们已经分别了解了这两种运算放大器的设计，现在我们将了解如何将它们组合起来形成差分运算放大器。

差分放大器和仪表放大器的区别

我们已经在上一篇文章中学习了如何设计和使用差分放大器。差分放大器的几个明显缺点是，由于输入电阻器，它具有非常低的输入阻抗，并且由于高共模增益，它具有非常低的 CMRR。由于缓冲电路，这些将在仪表放大器中克服。

同样在差分放大器中，我们需要改变很多电阻来改变放大器的增益值，但在差分放大器中，我们可以通过简单地调整一个电阻值来控制增益。

使用运算放大器 (LM358) 的仪表放大器电路图

现在让我们使用运算放大器构建一个实用的仪表放大器并检查它是如何工作的。我正在使用的运算放大器仪表放大器电路如下所示。

该电路总共需要三个运算放大器；我用过两个 LM358 IC。LM358是一款双封装运算放大器，它在一个封装中有两个运算放大器，因此我们的电路需要其中两个。同样，您也可以使用三个单封装 LM741 运算放大器或一个四封装 LM324 运算放大器。

在上述电路中，运算放大器 U1:A 和 U1:B 充当电压缓冲器，有助于实现高输入阻抗。运算放大器 U2:A 用作差分运算放大器。由于差分运算放大器的所有电阻均为 10k，因此它充当单位增益差分放大器，这意味着输出电压将是 U2:A 的引脚 3 和引脚 2 之间的电压差。

仪表放大器电路的输出电压可以使用以下公式计算。

Vout = (V2-V1)(1+(2R/Rg))

其中，R = 电路的电阻值。这里 R = R2=R3=R4=R5=R6=R7 即 10k

              Rg = 增益电阻。这里 Rg = R1 即 22k。

所以R和Rg的值决定了放大器的增益。增益值可以计算为

增益 = (1+(2R/Rg))

仪表放大器电路仿真

上面的电路在仿真时给出以下结果。

如您所见，输入电压 V1 为 2.8V，V2 为 3.3V。R的值为10k，Rg的值为22k。将所有这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

我们得到的输出电压值为 0.95V，这与上面的仿真相符。所以上述电路的增益为1.9，压差为0.5V。所以这个电路基本上会测量输入电压之间的差异并将其乘以增益并将其作为输出电压产生。

您还可以注意到输入电压 V1 和 V2 出现在电阻器 Rg 上，这是由于运算放大器 U1:A 和 U1:B 的负反馈。这确保了 Rg 两端的电压降等于 V1 和 V2 之间的电压差，这导致等量的电流流过电阻器 R5 和 R6，从而使引脚 3 和引脚 2 上的电压在运算放大器 U2:A 上相等。如果您在电阻器之前测量电压，您可以看到运算放大器 U1:A 和 U1:B 的实际输出电压，它们的差异将等于上面模拟中显示的输出电压。

本文由IC先生www.mrchip.cn编辑整理，请勿转载。