仪表放大器(Instrumentation Amplifer)也称为精密放大器、测量放大器、仪用放大器或数据放大器,常用于放大弱信号。在实际的测量系统中,大多数放大器处理的是传感器输出的信号,而传感器产生的信号一般比较微弱,传感器的等效电阻也不是常量,从传感器来的信号常为差模小信号且含有较大的共模成分。为了放大这种信号,要求放大器除具有足够的放大倍数外,还要有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。仪表放大器就是为了满足这些要求设计的。
仪表放大器是在有噪声的环境下放大弱号的器件,其本身具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点,它利用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,它主要应用于传感器接口、工业过程控制、低功耗医疗仪器、热电偶放大器、便携式供电仪器等。
作为专门设计的电压模式差动放大器——仪表放大器有很多特点。
输入阻抗高,而且具有良好的匹配性。为了和高内阻信号源相配合,仪表放大器的输入阻抗不但要高,而且具有良好的匹配性。输入阻抗的典型值为10
9
~10
12
Ω。
共模抑制比高。由于仪表放大器的对称性好,因此其共模抑制比高于基本运算放大器。通常工作要求仪表放大器既能放大微伏级差模信号,同时又能抑制几伏的共模信号,这就要求它具有很高的共模抑制比。其共模抑制比为70~100dB。
噪声低。由于仪表放大器往往在恶劣环境下进行精密检测,用它放大的信号幅度很低(微伏级),所以它必须是低噪声器件,信噪比太小就不能工作。
线性误差低。线性误差是器件本身的固有缺陷,不能用外部调整的方法消除。仪表放大器的线性误差的典型值为0.01%,甚至可以低达0.0001%。
失调电压和失调电压漂移低。仪表放大器的失调电压和失调电压漂移必须很低。仪表放大器由输入级和输出级两个独立部分组成,而总输出失调等于输入失调乘以电压放大倍数加上输出级失调。尽管初始失调电压可通过外部调整来消除,但失调电压的温度漂移则不能通过外部调整来消除。仪表放大器的输入失调电压的典型值不超过100μV,甚至更低。
足够的频带宽度。仪表放大器的频带宽度除特殊要求外,单位增益带宽一般为500kHz~4MHz。低增益时带宽容易保证,高增益时带宽不能保证。
增益可调或可设置。
与前面介绍的三个基本放大器不同,仪表放大器的信号放大倍数是由接在电路中的一个电阻的阻值大小来决定的。仪表放大器可分为两类,一类是用普通放大器构成的,常见的是用两个放大器或三个放大器及若干只电阻组成的;另一类是单片集成仪表放大器。