如何构建测试仪表放大器

2012-07-24 18:13:39来源: 21ic

仪表放大器是在有噪声的环境下放大小信号的器件。它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性,能够去除共模信号,而又同时将差分信号放大。仪表放大器的关键参数是共模抑制比,这个性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。

典型的被测信号可以是生物信号,如心电图(ECG)信号或者是来自诸如惠斯登电桥等传感器的微弱信号。由于这些信号源常常具有几千欧姆或更高的输出阻抗,因此仪表放大器需要具有很高的输入阻抗(典型数值在千兆欧姆级)。此外,由于仪表放大器往往要驱动输入阻抗很低的后级电路,如A/D转换器等,因此要求仪表放大器的输出阻抗很低。仪表放大器工作频率通常在直流到1 MHz之间,而在MHz级的速度下,输入电容比输入电阻更为重要,因此这类应用要考虑使用差分放大器。这种差分放大器输入阻抗较低,但速度要快很多。

常见仪表放大器

差动放大器

差动放大器不是仪表放大器,但是有时可以用在仪表放大器的场合。其电路只需一个运算放大器,如图1所示。在对高输入阻抗或者增益没有苛刻要求的场合,使用它是很方便的。

11.jpg

该电路的传递函数为:

Vout=R1/R2(VA-VB)

这一传递函数是在理想运算放大器和理想电阻器匹配条件下得出的。然而,当电阻不完全匹配时,同相放大电路和反相放大电路的传递函数不相等,就会有共模信号泄露出来。以0.1%的电阻匹配误差为例,最差情况下CMRR为54 dB,即10 V的共模信号会产生20 mV的输出误差。

差动放大器的优点是结构简单,最主要的缺点是输入阻抗很低。由于增益由R1/R2决定,因此需要在高增益和高输入阻抗间做出折中。此外,将信号分压变小后再进行放大(如同相通路),并不是获得良好噪声性能的方法。对于反相通路而言,加入了额外的电阻,并且反相放大电路的噪声增益总比信号增益高。提高输入阻抗就要求增加电阻的数值,这样将会产生更多的噪声。最后,共模抑制比也受到限制。为了改善这些缺点,第一步是对输入进行缓冲,这样就解决了输入阻抗的问题,如图2所示。

22.jpg

在对输入进行缓冲的同时,如果引入一些增益,除了可以得到高阻抗,还会产生很好的噪声性能,如图3所示。

33.jpg

电路中差动放大器的噪声仍然存在,但折算到输入端时噪声要除以第一级的增益。由于可以使用阻值非常小的电阻器,因此第一级的噪声可以做得非常低,而且不影响输入阻抗。这种结构的另外一个好处是在高增益时有较宽的带宽。原因是电压反馈放大器具有一定的增益带宽乘积,通过把增益分散到两级放大器,可使每一级的增益比较低,降低差动放大器级的增益,从而不会被增益带宽乘积所限制。然而还有一个没解决的问题就是共模抑制比。图3的电路将共模信号和差分信号都放大了,而所有的共模抑制都在差分放大级实现,因此,很容易超过第一级的输入电压范围。

[1] [2]

关键字:测试仪表  放大器  噪声

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0724/article_5509.html
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