仪表放大器的实用用途

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为什么要使用仪表放大器？

当我上大学的时候，我的一位教授把电气工程师比作一个带着工具带的杂工。一个成功的勤杂工会努力拥有大量的工具，并知道如何和何时使用每一种工具。同样，一个电气工程师有他的知识和应用的“工具带”的组件，电路设计，和问题解决。当遇到问题时，一个成功的工程师会知道使用哪些工具来实现设计目标。

每个EE应该在他的皮带中有一个这样的工具是仪表放大器或放大器。仪器安培在许多电气工程学科中发挥着至关重要的作用;从重型工业自动化到精密医疗设备的所有内容都使用仪器安培的优势。在我们进入所有申请之前，我们应该简要审查仪器安培的建设，为什么需要将它们用它们超过普通的OP-AMPS，这通常更便宜。

让我们先来看看经典的差分放大器布局:

对于一些不同的应用程序，这种设置可能已经足够了;它可以放大桥接信号并具有良好的共模抑制比(CMRR)，但存在一些问题。首先，我们可以清楚地看到输入阻抗不是接近无穷大;事实上，反相输入端的输入电阻相对较低。这种配置的输入阻抗不匹配，有时与非反相输入相比，输入阻抗会有很大的差异。这种设置还需要非常小心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来增加输入阻抗，但是1M欧姆的R1和R2将需要100欧姆的Rf和Rg来实现100的增益;放大非常小的信号通常需要更多的时间。使用大电阻器也会带来新的问题。大电阻器是有噪声的，很难匹配大电阻器的准确性很高; in addition, large resistors can cause stray capacitance which will negatively affect the CMRR at high frequencies.

解决方案是在输入之前使用非反相缓冲区，但我们仍然希望获得更高的增益。输入仪器放大器，如下所示：

两个缓冲放大器提供几乎无限的输入阻抗和增益，而差分放大器产生额外的一层增益和单端输出。结果是一个电路具有非常高的共模抑制比，高增益，和输入阻抗在1010欧姆数量级。

测量的应用

这些电路的应用之一是对传感器和传感器进行测量。仪表放大器擅长于从嘈杂环境中提取非常微弱的信号;因此，它们经常被用于使用传感器测量物理参数的电路中。用于测量压力的测压元件通常与仪表放大器一起使用，因为测压元件通常是浮动的——这意味着它们没有直接接地。仪表放大器可以放大浮动信号，因为它只放大两个输入端子之间的差值。测压元件通常采用惠斯通桥结构，这是浮动差分信号的一个很常见的例子;这种配置如下图所示，其中R2是变化的元素，在节点C和B之间产生了差分电压。

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,产生一个可以被放大的差分信号。电桥电路对传感器和仪器至关重要的原因是共模噪声;在输入端有一个常规运算放大器和一个传感器的电路可以起到放大器的作用，但它会有很大的噪声。这就是为什么仪器放大器经常被用于ADC的输入。任何PIC或Arduino都有可以配置为模拟输入的输入，但这些都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，并向ADC提供干净的单端输出。这在使用微控制器时是很重要的，因为任何额外的噪声都会导致不稳定的转换，此外还会浪费有价值的ADC位。

生物医学应用

如果你曾经在医院里用过任何一种电子设备来读取你的数据，你已经连接到由仪器放大器运行的传感器上了。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，也因为仪表放大器也是精确增益设备。

仪表安培不需要外部反馈电阻;相反，他们在集成电路上制造了激光切割电阻，只使用一个外部增益设置电阻来配置放大系数，消除电阻不匹配。这使得器件可以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和产生微小的信号，如血压传感器，超声换能器，极化和非极化电极，辐射测温换能器。

由于生物电位电极的特性会受到负载效应的影响，从而导致信号的失真，因此这些传感器需要仪器放大器提供非常高的阻抗。此外，放大器需要有高水平的噪声抑制;医院是传感器必须工作的最嘈杂的电环境之一，附近有数百台无线设备在运行，还有一直存在的60周期的灯光和电源的嗡嗡声。这些不稳定的噪声信号通常比生物电位电极发出的信号大数量级，而生物电位电极本身只有几毫伏。这种放大器的一种易于识别的医疗应用是在心电图仪(ecg)上;用来监测心脏偶极电场的变化。下面是模拟设备的AD82X系列仪器放大器在心电图中的实现，摘自其应用手册。

所有三个仪器安培从传感器电极提取信号差异，而最后一个电极“F”作为接地。仪器安培被用于该设备，因为生物电位电极拾取了大量的电力线噪声，需要排除这些噪声，以便设备能够给出准确的读数。

工业应用

仪器AMPS还在工业自动化中找到了使用，许多系统使用电流流量来继电测量和控制远程安装。在二十世纪初，工业综合体将使用空气压力来控制远程机器，使用3-15PSI作为全方位，其中3psi代表0％​​，系统和15psi 100％。少于3psi的任何东西意味着系统关闭或不稳定，并会触发警报。现在，行业标准是使用类似于空气压力的直流电流，现在的范围4mA-20mA。顺便提一下，如果你想知道我们许多万用表上的按钮是阅读“4-20ma”的那样，现在你知道。在本申请中，测量电流，使得即使它们具有不同的理由，两个远程连接的设备也可以进行通信。为此工作，传输线的输出放大器相对于输入信号必须非常线性操作，并抑制由不匹配的地面引起的任何干扰;仪表放大器的完美候选者。以下是在本申请中使用的集成仪器放大器的简化示意图，该电路称为电流发射器。

图中U1为有损传输线，R2为接收端将电流转换为命令或测量值的设备。

除了这种工业应用，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，仪表放大器的浮动输入为电机驱动器提供了完美的平台，因为电机通常不参考地面。

结论

仪表放大器几乎应用于电子的每个领域;它们在需要高输入阻抗和良好增益的电路中发挥特定的作用，同时提供共模噪声抑制和全差分输入。由于使用如此广泛，这是一个每个工程师都应该在他的工具带上的设备。