幾乎所有類型的傳感器和換能器都將現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)（如光、溫度、重量等）轉(zhuǎn)換為電壓值，供我們的電子系統(tǒng)理解。此電壓電平的變化將幫助我們分析/測(cè)量真實(shí)世界的參數(shù)，但在生物醫(yī)學(xué)傳感器等某些應(yīng)用中，此變化非常?。ǖ碗娖叫盘?hào)），因此即使是微小的變化也要保持跟蹤以進(jìn)行跟蹤非常重要得到可靠的數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用中，使用了儀表放大器。

顧名思義，儀表放大器又名 INO 或儀表放大器可放大電壓變化并提供與任何其他運(yùn)算放大器一樣的差分輸出。但與普通放大器不同的是，儀表放大器具有高輸入阻抗和良好增益，同時(shí)通過全差分輸入提供共模噪聲抑制。如果您現(xiàn)在不明白也沒關(guān)系，在本文中我們將了解這些儀表放大器，并且由于這些 IC 比運(yùn)算放大器相對(duì)昂貴，我們還將學(xué)習(xí)如何使用LM385 或 LM324 等普通運(yùn)算放大器來構(gòu)建一個(gè)儀表放大器并將其用于我們的應(yīng)用。

什么是儀表放大器 IC？

除了普通的運(yùn)算放大器 IC，我們還有一些特殊類型的儀表放大器放大器，如INA114 IC。它只不過是為某些特定應(yīng)用組合在一起的幾個(gè)普通運(yùn)算放大器。要了解更多相關(guān)信息，請(qǐng)查看 INA114 的數(shù)據(jù)表以了解其內(nèi)部電路圖。

如您所見，IC 接收兩個(gè)信號(hào)電壓 V IN - 和 V IN +，為了便于理解，我們現(xiàn)在將它們視為 V1 和 V2。輸出電壓 (V O ) 可以使用以下公式計(jì)算

V O = G (V2 – V1)

其中，G 是運(yùn)算放大器的增益，可以使用外部電阻 R G設(shè)置，并使用以下公式計(jì)算

G = 1+ (50k Ω/RG)

注意： 50k 歐姆值僅適用于 INA114 IC，因?yàn)樗褂?25k (25+25 =50) 的電阻器。您可以分別計(jì)算其他電路的值。

所以基本上現(xiàn)在如果你看一下，儀表放大器只是提供兩個(gè)電壓源之間的差異，增益可以由外部電阻器設(shè)置。

是的！這正是差分放大器的作用，如果仔細(xì)觀察，您甚至可以發(fā)現(xiàn)上圖中的運(yùn)算放大器 A3 只不過是一個(gè)差分放大器電路。因此，通俗地說，儀表放大器是另一種差分放大器，但具有更多優(yōu)勢(shì)，例如高輸入阻抗和易于增益控制等。這些優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樵O(shè)計(jì)中的其他兩個(gè)運(yùn)算放大器（A2 和 A1），我們將在下一個(gè)標(biāo)題中了解更多信息。

了解儀表放大器

為了完全理解儀表放大器，讓我們將上圖分解成有意義的塊，如下所示。

如您所見，儀表放大器只是兩個(gè)緩沖運(yùn)算放大器電路和一個(gè)差分運(yùn)算放大器電路的組合。我們已經(jīng)分別了解了這兩種運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在我們將了解如何將它們組合起來形成差分運(yùn)算放大器。

差分放大器和儀表放大器的區(qū)別

我們已經(jīng)在上一篇文章中學(xué)習(xí)了如何設(shè)計(jì)和使用差分放大器。差分放大器的幾個(gè)明顯缺點(diǎn)是，由于輸入電阻器，它具有非常低的輸入阻抗，并且由于高共模增益，它具有非常低的 CMRR。由于緩沖電路，這些將在儀表放大器中克服。

同樣在差分放大器中，我們需要改變很多電阻來改變放大器的增益值，但在差分放大器中，我們可以通過簡(jiǎn)單地調(diào)整一個(gè)電阻值來控制增益。

使用運(yùn)算放大器 (LM358) 的儀表放大器電路圖

現(xiàn)在讓我們使用運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的儀表放大器并檢查它是如何工作的。我正在使用的運(yùn)算放大器儀表放大器電路如下所示。

該電路總共需要三個(gè)運(yùn)算放大器；我用過兩個(gè) LM358 IC。LM358是一款雙封裝運(yùn)算放大器，它在一個(gè)封裝中有兩個(gè)運(yùn)算放大器，因此我們的電路需要其中兩個(gè)。同樣，您也可以使用三個(gè)單封裝 LM741 運(yùn)算放大器或一個(gè)四封裝 LM324 運(yùn)算放大器。

在上述電路中，運(yùn)算放大器 U1:A 和 U1:B 充當(dāng)電壓緩沖器，有助于實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗。運(yùn)算放大器 U2:A 用作差分運(yùn)算放大器。由于差分運(yùn)算放大器的所有電阻均為 10k，因此它充當(dāng)單位增益差分放大器，這意味著輸出電壓將是 U2:A 的引腳 3 和引腳 2 之間的電壓差。

儀表放大器電路的輸出電壓可以使用以下公式計(jì)算。

Vout = (V2-V1)(1+(2R/Rg))

其中，R = 電路的電阻值。這里 R = R2=R3=R4=R5=R6=R7 即 10k

              Rg = 增益電阻。這里 Rg = R1 即 22k。

所以R和Rg的值決定了放大器的增益。增益值可以計(jì)算為

增益 = (1+(2R/Rg))

儀表放大器電路仿真

上面的電路在仿真時(shí)給出以下結(jié)果。

如您所見，輸入電壓 V1 為 2.8V，V2 為 3.3V。R的值為10k，Rg的值為22k。將所有這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

我們得到的輸出電壓值為 0.95V，這與上面的仿真相符。所以上述電路的增益為1.9，壓差為0.5V。所以這個(gè)電路基本上會(huì)測(cè)量輸入電壓之間的差異并將其乘以增益并將其作為輸出電壓產(chǎn)生。

您還可以注意到輸入電壓 V1 和 V2 出現(xiàn)在電阻器 Rg 上，這是由于運(yùn)算放大器 U1:A 和 U1:B 的負(fù)反饋。這確保了 Rg 兩端的電壓降等于 V1 和 V2 之間的電壓差，這導(dǎo)致等量的電流流過電阻器 R5 和 R6，從而使引腳 3 和引腳 2 上的電壓在運(yùn)算放大器 U2:A 上相等。如果您在電阻器之前測(cè)量電壓，您可以看到運(yùn)算放大器 U1:A 和 U1:B 的實(shí)際輸出電壓，它們的差異將等于上面模擬中顯示的輸出電壓。

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