仪表放大器的实际应用

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为什么要使用仪表放大器?

当我在大学时，我的一位教授将被混为作为一个装满设备的工具腰带的工程师。一个成功的勤杂工将努力拥有大量的工具，并知道如何以及何时使用每个工具。同样，电气工程师具有他的“工具带”的知识和应用，用于组件，电路设计和解决问题。当面临问题时，成功的工程师将知道要实现设计目标的工具。

一个这样的工具，每个EE都应该在他的腰带是仪器放大器，或内放大器。仪表放大器在电气工程的许多学科中起着至关重要的作用;从重型工业自动化到精密医疗设备，一切都使用仪器放大器。在我们进入所有的应用程序之前，我们应该简单地回顾一下仪表放大器的构造，以及为什么需要使用它们而不是通常更便宜的常规运算放大器。

让我们首先看一下经典差分放大器布局：

此设置可能适用于某些差异应用;它可以放大桥接信号，并且可以具有良好的CMRR，但它有一些问题。首先，我们可以清楚地看到输入阻抗不接近无穷大;实际上，反相输入上的输入电阻相对较低。该配置中的输入阻抗不匹配，并且与非反相输入相比，输入阻抗有时会有非常大的差异。此设置还需要非常仔细的电阻匹配和源阻抗平衡。当然，我们可以通过使反馈电阻非常大，但是1M欧姆R1和R2需要RF和RG为100m欧姆，以实现100的增益;放大非常小的信号通常需要多。使用大型电阻也引发了新的问题。大电阻器是嘈杂的，并且非常难以匹配大型电阻器的准确性; in addition, large resistors can cause stray capacitance which will negatively affect the CMRR at high frequencies.

一个解决方案是在输入前使用非反相缓冲器，但我们仍然希望获得更高的增益。进入仪表放大器，见下图:

两个缓冲放大器提供了几乎无限的输入阻抗和增益，而差分放大器产生一个额外的增益层和一个单端输出。其结果是一个具有非常高的共模抑制比、高增益和输入阻抗1010欧姆量级的电路。

测量应用程序

这些电路用于从传感器和换能器中使用测量的应用之一。仪器AMPS Excel在从嘈杂的环境中提取非常弱的信号;因此，它们通常用于采用采用物理参数测量的传感器的电路。负载用于测量压力的电池通常与仪表放大器一起使用，因为负载电池通常浮动 - 这意味着它们与地面没有直接连接。仪表放大器可以放大浮动信号，因为它仅放大两个输入端子之间的差异。负载电池通常以惠斯通桥配置实现，这是浮动差分信号的非常常见的例子;下面是如下图所示的该配置，其中R2是变化元件，在节点C和B之间产生差分电压。

几乎任何传感器可以受益于一个仪表放大器设计、热电偶,光敏二极管,热敏电阻,甚至普通硅二极管可以作为一个简单的温度传感器通过将它变成一个桥接电路喂养一个仪表放大器,当正向电压的二极管升温将下降,创造一个可以被放大的差分信号。桥接电路对传感器和仪表如此重要的原因是共模噪声;一个在输入端有一个普通运放和一个传感器的电路可以发挥放大器的作用，但是它会有很大的噪声。这就是为什么仪表放大器经常被用于输入ADC的原因。任何PIC或Arduino都有可以配置为模拟输入的输入，但这些是不能拒绝共模信号的单端输入。仪表放大器可以从嘈杂的环境中提取和放大微弱的传感器信号，并将干净的单端输出馈送到ADC。当使用微控制器时，这是重要的，因为任何额外的噪声将导致不稳定的转换，并且浪费宝贵的ADC位。

生物医学应用

如果你曾经在医院里使用过任何一种电子设备来读取你的数据，你已经被连接到由仪器放大器运行的传感器上。这些电路在几乎所有的医疗设备中都得到了广泛的应用，既因为前面提到的优点，也因为仪器放大器也是精确增益设备的事实。

仪表放大器不需要外部反馈电阻;相反，他们在集成电路本身上制作了激光微调电阻，只使用一个外部增益设置电阻来配置放大系数，消除了电阻的不匹配。这允许器件根据电路的需要将其增益设置为一个精确的数字。大多数生物医学传感器是非常高的阻抗，并产生微小的信号，如血压传感器、超声波传感器、极化和非极化电极，以及辐射测温传感器。

这些传感器要求仪器放大器提供非常高的阻抗，因为生物电位电极的特性可能受到负载效应，这可能导致信号失真。此外，放大器需要有一个高水平的噪声抑制;医院是传感器工作的环境中电噪声最大的环境之一，附近有数百个无线设备运行，目前有60个周期的来自灯和电源的嗡嗡声。这些不稳定的噪声信号通常比来自生物电位电极的信号大几个数量级，而生物电位电极本身只有几毫伏。这类放大器在医学上的一个容易识别的应用是在心电图机(ecg)中;用来监测心脏偶极子电场的变化。下面是Analog Device的AD82X系列仪器放大器在心电的实现，从他们的应用手册。

所有三种仪表放大器都提取与传感器电极的信号差异，而最后一个电极“F”充当地面。仪器AMPS用于该装置，因为生物电极电极拾取了大量的电力线噪声，需要被拒绝，因此设备可以提供准确的读数。

工业应用

仪表放大器也用于工业自动化，其中许多系统使用电流来继电器测量和控制远程安装。在20世纪早期，工业综合体将使用空气压力来控制远程机器，使用3-15psi作为全范围，其中3psi代表0%，系统开启，15psi代表100%。如果低于3psi，就意味着系统关闭或不稳定，会触发警报。现在的行业标准是使用类似于空气压力的直流电流，现在的量程为4mA-20mA。顺便说一句，如果你想知道我们的万用表上“4-20mA”的按钮是什么，现在你知道了。在这种应用中，电流的测量使两个远程连接的设备可以通信，即使他们有不同的地。为此，传输线的输出放大器必须与输入信号非常线性地工作，并拒绝任何不匹配地造成的干扰;仪器放大器的完美候选。下面是一个简化的原理图的集成仪表放大器正在使用的这个应用，一个电路称为电流发射机。

在该图中，U1表示有损传输线，R2是接收端上的设备，其将电流转换为某种命令或测量值。

除了该工业应用外，大型电机控制器还包括仪表安培。通常用于测量H桥中的电流，仪表AMP的浮动输入使电机驱动器的完美平台，因为电机通常未参考。

结论

仪表放大器在几乎每个电子领域都使用;yabosports官网它们在需要具有良好增益的电路中满足电路中的特定作用，同时提供共模噪声抑制和完全差分输入。通过这种广泛的使用，这是每个工程师都应该在他的工具带上的设备。