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在工業(yè)傳感領域中,，儀表放大器應用廣泛，相比通用放大器,，它的輸入阻抗高,，抗共模干擾強，在強噪聲環(huán)境下,，能保證放大電路的增益與精度,，然而需要注意儀表放大器的工作電壓配置方式比較復雜。本篇討論儀表放大器特性與有效工作電壓配置方法,。
儀表放大器定義與特性
儀表放大器（instrumentation amplifier,INA）典型結構如圖3.1,，內部由3個放大器組建而成。一級由兩個放大器（AMP1,AMP2）組建同相放大電路,，實現(xiàn)高阻抗差分輸入,，內置反饋電阻Rf1,Rf2，與外部配置電阻Rg調節(jié)增益,。第二級使用一個放大器(AMP3)組建差動電路,，R1、R2,、R3,、R4是經(jīng)過校準的高精度匹配電阻。另外,，通過REF腳調節(jié)輸出電壓的參考,。
圖3.1 儀表放大器結構
儀表放大器輸入阻抗通常為GΩ等級。如圖3.2,，AD8421的共模,、差模輸入阻抗都為30GΩ。
圖3.2 AD8421輸入特性
儀表放大器的增益配置通過內部Rf1,Rf2與外部Rg阻值實現(xiàn),由于每款儀表放大器內部反饋電阻的阻值不同,，需要通過數(shù)據(jù)手冊確認,。如圖3.3，AD8421的增益為式3-1,。
增益電阻Rg,，滿足式3-2。
圖3.3 AD8421引腳功能描述
儀表放大器的基準引腳用來調節(jié)輸出信號的參考電壓,。如圖3.1,，基準引腳REF在電阻R4的一端，R4通常為KΩ級。為獲得性能,，在驅動基準引腳時,，不能使用電阻器分壓直接驅動，而是在電阻器輸出增加放大器做緩沖,，再提供到基準引腳,，如圖3.4。
圖3.4AD8421基準引腳驅動方式
儀表放大器有效工作配置
儀表放大器,、差分放大器的用途是將輸入差模信號進行放大,，但是只關注的差模信號，忽略共模信號就會發(fā)生問題,。
2017年11月初,，一位測量領域的工程師反饋問題,，他使用AD8221數(shù)據(jù)手冊推薦電路,，如圖3.5（a）。將±10V單端信號轉為+5V差分信號驅動一款∑Δ型ADC,。測試中,，使用信號源產(chǎn)生幅值為1V的直流信號作為激勵與電路連接，AD8221電路輸出信號如圖3.5（b）,。
工程師希望使用該電路實現(xiàn)萬用表的電壓測量功能,，檢測范圍內任意兩點的電壓，目前這個電路不能工作,。了解到這里,，筆者讓工程師查看測量電路與信號源是否存在共地端？答案是沒有,，信號源與AD8221兩個輸入端相連接,，除此以外沒有任何電氣連接。
圖3.5 AD8221應用電路與測試情況
筆者幫助工程師分析儀表放大器的模型如圖3.1,，放大的差模信號Vdiff是兩個輸入端以地電位為參考的電壓之差,，如式3-3。
這兩個輸入端都存在共模信號,，等于兩個輸入端對地電壓的平均值,，如式3-4。
儀表放大器電路一級放大器的輸出電壓Va,Vb分別為式3-5,、式3-6,。
當差模信號與共模信號在輸入范圍內，儀表放大器才能正常工作,，輸出電壓Vo為式3-7,。
目前測試電路的問題在于兩個輸入信號沒有參考電位，所以建議將AD8221的一個輸入端與電路板的地電位連接，工程師修改后電路正常工作,。
該案例判斷中AD8221儀表放大器的輸入信號,、輸出信號是否在有效范圍內的辦法是使用鉆石圖。在增益,，與供電電壓范圍內,，輸入共模電壓與輸出電壓范圍的有效區(qū)間。如圖3.6（a）,，AD8221電路增益為1倍,，供電電壓為±5V時，輸入共模電壓和輸出電壓在綠色陰影區(qū),，電路有效工作,。當供電電壓為±15V時，輸入共模電壓和輸出電壓在紅色陰影區(qū),，電路有效工作,。如圖3.6（b），AD8221電路增益為100倍,，供電電壓為±5V時,，輸入共模電壓和輸出電壓在藍色陰影區(qū)，電路有效工作,。供電電壓為±15V,，輸入共模電壓和輸出電壓在紫色陰影區(qū)，電路有效工作,。
圖3.6 AD8221鉆石圖
數(shù)據(jù)手冊通常提供部分典型的供電電壓值的鉆石圖,，這無法滿足工程師多樣的需求，給工程師的設計工作帶來很多不便,。所以在此推薦一款在線評估工具,，筆者已經(jīng)使用該工具幫助過20余位工程師快速找出設計問題。建議在設計之初,，使用工具進行評估,。
如圖3.7為ADI公司精密信號在線設計工具界面，選擇“IN AMP”,，進入儀表放大器配置窗口,，如圖3.8(a)。通過選項1選擇需要評估的器件AD8221,，然后在選項2配置為差分輸入架構,，接下來配置供電電壓±Vs為±10V，參考電壓源VREF為0V,，增益Gain為100,，輸入共模電壓Vcm為±5V，輸入差模電壓Vdiff為±50mV，該電路配置狀態(tài)下的鉆石圖如圖3.8（b）,，在25℃條件下,，輸出電壓Vout與輸入共模電壓Vcm形成的區(qū)域（紅色陰影區(qū)）沒有受到限制，電路正常工作,。
圖3.7 精密信號鏈設計工具
圖3.8 AD8221有效工作配置
如圖3.9,當輸入共模電壓調整為±6V,，使用該配置的電路會出現(xiàn)故障提示，AD8221內部節(jié)點電壓受到供電電壓限,，以及整改方式,，包括：
(1)縮小輸入信號范圍。
(2)增大AD8221供電電壓,。
(3)降低AD8221增益,。
(4)替換器件。
圖3.9 AD8221 異常工作配置
綜上,，儀表放大器的工作電配置與通用放大器的工作電壓配置有很大不同,，所以，如果不結合輸入差模信號,，共模信號,、參考源電壓（含驅動方式）這些因素綜合考慮,，電路可能會難以正常工作,。
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