仪表放大器(in-amps)是一种专用放大器，用于提取小的差分信号，同时拒绝大的共模信号。在本文中，我们将研究一个桥式测量系统，以说明为什么内放大器需要具有高共模抑制才能成功提取小的差分信号。
我们还将研究一种特殊类型的差分放大器，称为差分放大器。这些放大器提供了非常高的共模抑制，目前许多放大器内集成电路都采用了这些放大器。在下一篇文章中，我们将看到除了具有高共模抑制外，内放大器还应该提供高且相等的输入阻抗。
电桥测量系统:典型的放大器内应用
考虑下面所示的桥式测量系统。
图1所示。一种桥式测量系统电路
在这种情况下，根据所测量的物理参数，电阻R4改变并导致a节点和B节点之间的电压差。
放大级应将桥式电压差(通常在0- 20mv范围内)转换为a /D转换器输入范围内的电压(通常在0- 5v范围内)，应考虑放大器的几个不同参数，如噪声、带宽、线性度、功率和输入/输出摆幅。然而，在这个特殊的应用中，有两个放大器参数是至关重要的:共模抑制和输入阻抗。
下面我们将讨论为什么放大器需要具有高共模抑制才能成功地提取小的差分信号。放大器输入阻抗的影响将在下一篇文章中讨论。
桥式输出由共模信号和差分信号组成
出现在放大器输入端的信号可以分解为差分信号和共模信号。例如，假设桥式电阻器的值如图2所示。
图2。调整我们的电阻器值
此时，节点A和节点B的电压为:
\ [v_A = \压裂{120}{120 + 3900}\ * 8 = 238.8 \ \ textit {mV} \]
\ [v_B = \压裂{100}{100 + 3900}\ * 8 = 200 \ \ textit {mV} \]
这可以分解为以下微分(vd)和共模(vc)的信号:
\ [v_C = \压裂{v_A + v_B}{2} = \压裂{238.8 + 200}{2}= 219.4 \ \ textit {mV} \]
\ [v_d = v_A - v_B = 238.8 - 200 = 38.8 \ \ textit {mV} \]
因此，桥Thevenin的等效物如图3所示。
图3。桥是等价的
在这里,Rth1和Rth2为两个电桥分支的等效电阻，分别为116.4 ω和97.5 ω。理想情况下，我们期望输出是差分信号的放大版本(这与被测物理参数有关)。因此，我们期望有:
\ [v_{出}= A_dv_d \]
一个d指定放大器的差分增益。然而，在现实中，输入共模信号也可以影响输出电压，我们有:
\[v_{out}=A_d v_d + A_{cm} v_c\]
方程1。
一个厘米为放大器的共模增益。
为什么放大器要拒绝共模信号?
与vc和一个厘米在方程1中为常数，输出处的误差也将是常数。然而，共模增益A厘米，可以在感兴趣的带宽随频率变化。此外，任何出现在节点A和B的共模噪声都会改变vc。例如，为电桥供电的直流电源发出的噪声会影响vc。
此外，共模电压可以是桥式电阻的函数。例如，当图2中的桥是平衡的(R4= 100Ω),vc将是200 mV，而不是上面例子中获得的219.4 mV。因此，共模电压会在输出处引起不同的误差电压。我们需要一个能放大v的放大器d同时抑制共模信号。
放大器的共模抑制
放大器对共模信号的抑制能力由共模抑制比(CMRR)来量化，CMRR定义为差分增益除以共模增益。
让我们来看看一些典型的值。假设桥式放大器输出的全量程摆幅为5V，我们希望将共模电压的最大误差保持在全量程值(5V)的0.02%以下c= 200mv时，放大器共模增益为:
\[现代{厘米}= \压裂{0.0002 \ * 5 \,V} {200 \, mV} = 0.005 \]
典型的差分增益为100a厘米=0.005给出CMRR为
\ [\ textbf {CMRR} = \压裂{A_d}{现代{厘米}}= \压裂{100}{0.005}= 20000 = 86 \,dB \]
一个简单的运放能提供足够的共模抑制比吗?
我们知道运放的设计目的是放大差分信号，同时拒绝输入的共模分量。
你可能想知道我们是否可以使用简单的反相或非反相运算放大器来提取桥电路的微弱差分信号?
让我们来看看图4所示的运放放大器的共模增益。
图4。运算放大器电路示例
运放的负反馈和高增益将迫使运放的反相和非反相输入具有相同的电压。共模电压vc同时应用到节点A和B，我们会得到
\[v_{in-}= v_{in+}= v_A = v_c\]
由于vc也适用于节点B，流过R1也就是流过R的电流F将是零。因此,我们必须
\ [v_{出}= v_ {-} = v_c \]
这意味着出现在节点A和B的任何共模电压都将以1的增益转移到输出。当差分增益为100时，CMRR为:
\ [CMRR = \压裂{A_d}{现代{厘米}}= \压裂{100}{1}= 40 \,dB \]
这对于很多申请来说是不可接受的。
差分放大器呢?
图5所示的差分放大器可以达到更高的共模抑制比。
图5。差分放大器
可以看出，输出方程如下:
\ [v_{出}= \压裂{R_4} {R_1} \ * \压裂{R_1 + R_2} {R_3 + R_4} \ v_A - \压裂{R_2} {R_1} \ * v_B \]
与\ \压裂{R_2} {R_1} = \压裂{R_4} {R_3} \),我们有:
\ [v_{出}= \压裂{R_2} {R_1} \离开(v_A-v_B \) \]
这个方程表明，任何共模电压都将被放大器完全抑制，即用v一个= vB我们有v出= 0。然而，在实践中，差分放大器的共模抑制将是有限的。这是由于比率(\frac{R_2}{R_1}\)不完全等于\(\frac{R_4}{r3}\)。
例如，假设我们选R1= R2= R3.= R4使微分增益为1。理想情况下，共模增益应该为零。然而，只有0.1%的失配在一个电阻，A厘米大约是0。005我们将有大约66分贝的CMRR。由于这个限制，我们不能实现高共模抑制比使用运放和离散电阻。
相反，我们需要采用集成解决方案，即使用沉积在集成电路衬底上的激光切割薄膜电阻来实现电阻之间的高匹配。这样的集成方案可以获得大于100db的CMRR。
虽然差分放大器可以提供一个非常高的共模抑制，它仍然有一些限制。例如，对于差分放大器，输入端子的阻抗相对较低且不相等。这将导致桥电路上的不平衡负载效应，并允许共模电压在输出处产生误差信号。
在下一篇文章中，我们将继续这个讨论，并看看今天的内放大器如何解决这些问题。
结论
在许多测试和测量系统中，所需的差动信号在共模电压上运行。在这些情况下，我们需要一个具有高共模抑制和高输入阻抗的差分放大器。
差分放大器理论上可以有无限的共模抑制比。然而，在实践中，可实现的CMRR可能受到电阻值之间不匹配的限制。
