仪表放大器

差分放大器的改良仪器

仪表放大器（英语：instrumentation amplifier或称精密放大器简称INA），差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量以及电子仪器上。

简介

原理与特性

特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。

虽然仪表放大器在线路图上是一颗运算放大器；但实际上是由三颗运算放大器所组成；仪表放大器分成两个部分，输入端的两个电压跟随器提供输入端(+,−)高输入阻抗，后级则是差分放大器，用来做两个输入端的差分放大；不过，通常第二级的差分放大器的增益会设计为1，也就是只做两个电压的相减运算。

业界现况

目前的仪表放大器，大多被许多制造商（包括德州仪器，国家半导体，美国模拟器件公司，凌力尔特和Maxim Integrated Products）作成IC形式，不但可以降低电阻阻抗匹配的问题，而且使用上也很方便，线路面积也相对的缩小，例如AD620,MAX4194,LT1167andINA128.

仪表放大器也可以使用“间接电流反馈结构”，从而延长这些放大器的工作范围负电源端，或在某些情况下，只使用正电源轨设计。在负电源端接地的单电源系统中特别有用，利用这种架构的元件有MAX4208/MAX4209和AD8129/AD8130。

无反馈的仪表放大器（Feedback-free instrumentation amplifier）是没有外部反馈网络设计的高输入阻抗的差分放大器。这使得放大器的数量减少（而不是三个），降低噪音（没有热噪声所带来的反馈电阻）和更高的带宽（没有频率补偿）。这样设计的放大器请参考这里。

斩波稳定（或零漂）仪表放大器如LTC2053使用开关输入前端，以消除直流偏移误差和漂移。

产品介绍

随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

构成原理

仪表放大器电路主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，例子中电路的增益为:G=(1+2R1/Rg)Rf/R3。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。