在工業(yè)傳感領(lǐng)域中，儀表放大器應(yīng)用最為廣泛，相比通用放大器，它的輸入阻抗高，抗共模干擾強(qiáng)，在強(qiáng)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(fù)雜。本篇討論儀表放大器特性與有效工作電壓配置方法。
1 儀表放大器定義與特性
儀表放大器（instrumentation amplifier,INA）典型結(jié)構(gòu)如圖3.1，內(nèi)部由3個(gè)放大器組建而成。第一級(jí)由兩個(gè)放大器（AMP1,AMP2）組建同相放大電路，實(shí)現(xiàn)高阻抗差分輸入，內(nèi)置反饋電阻Rf1,Rf2，與外部配置電阻Rg調(diào)節(jié)增益。第二級(jí)使用一個(gè)放大器(AMP3)組建差動(dòng)電路，R1、R2、R3、R4是經(jīng)過校準(zhǔn)的高精度匹配電阻。另外，通過REF腳調(diào)節(jié)輸出電壓的參考。
圖3.1 儀表放大器結(jié)構(gòu)
儀表放大器輸入阻抗通常為GΩ等級(jí)。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(nèi)部Rf1,Rf2與外部Rg阻值實(shí)現(xiàn),由于每款儀表放大器內(nèi)部反饋電阻的阻值不同，需要通過數(shù)據(jù)手冊(cè)確認(rèn)。如圖3.3，AD8421的增益為式3-1。
(式3-1)
增益電阻Rg，滿足式3-2。
(式3-2)
圖3.3 AD8421引腳功能描述
儀表放大器的基準(zhǔn)引腳用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的參考電壓。如圖3.1，基準(zhǔn)引腳REF在電阻R4的一端，R4通常為KΩ級(jí)。為獲得最佳性能，在驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)引腳時(shí)，不能使用電阻器分壓直接驅(qū)動(dòng)，而是在電阻器輸出增加放大器做緩沖，再提供到基準(zhǔn)引腳，如圖3.4。
3.4AD8421基準(zhǔn)引腳驅(qū)動(dòng)方式
2 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(hào)進(jìn)行放大，但是只關(guān)注的差模信號(hào)，忽略共模信號(hào)就會(huì)發(fā)生問題。
2017年11月初，一位測(cè)量領(lǐng)域的工程師反饋問題，他使用AD8221數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦電路，如圖3.5（a）。將±10V單端信號(hào)轉(zhuǎn)為+5V差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)一款∑Δ型ADC。測(cè)試中，使用信號(hào)源產(chǎn)生幅值為1V的直流信號(hào)作為激勵(lì)與電路連接，AD8221電路輸出信號(hào)如圖3.5（b）。
工程師希望使用該電路實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表的電壓測(cè)量功能，檢測(cè)指定范圍內(nèi)任意兩點(diǎn)的電壓，目前這個(gè)電路不能工作。了解到這里，筆者讓工程師查看測(cè)量電路與信號(hào)源是否存在共地端？答案是沒有，信號(hào)源與AD8221兩個(gè)輸入端相連接，除此以外沒有任何電氣連接。
圖3.5 AD8221應(yīng)用電路與測(cè)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(hào)Vdiff是兩個(gè)輸入端以地電位為參考的電壓之差，如式3-3。
(式3-3)
這兩個(gè)輸入端都存在共模信號(hào)，等于兩個(gè)輸入端對(duì)地電壓的平均值，如式3-4。
（式3-4）
儀表放大器電路第一級(jí)放大器的輸出電壓Va,Vb分別為式3-5、式3-6。
(式3-5)
(式3-6)
當(dāng)差模信號(hào)與共模信號(hào)在輸入范圍內(nèi)，儀表放大器才能正常工作，輸出電壓Vo為式3-7。
(式3-7)
目前測(cè)試電路的問題在于兩個(gè)輸入信號(hào)沒有參考電位，所以建議將AD8221的一個(gè)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(hào)、輸出信號(hào)是否在有效范圍內(nèi)的辦法是使用鉆石圖。在指定增益，與指定供電電壓范圍內(nèi)，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(shí)，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(dāng)供電電壓為±15V時(shí)，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(shí)，輸入共模電壓和輸出電壓在藍(lán)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(cè)通常提供部分典型的供電電壓值的鉆石圖，這無(wú)法滿足工程師多樣的需求，給工程師的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很多不便。所以在此推薦一款在線評(píng)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(shè)計(jì)問題。建議在設(shè)計(jì)之初，使用工具進(jìn)行評(píng)估，電路網(wǎng)址為：
https://www.analog.com/designtools/en/precisionstudio/
如圖3.7為ADI公司精密信號(hào)在線設(shè)計(jì)工具界面，選擇“IN AMP”，進(jìn)入儀表放大器配置窗口，如圖3.8(a)。通過選項(xiàng)1選擇需要評(píng)估的器件AD8221，然后在選項(xiàng)2配置為差分輸入架構(gòu)，接下來(lái)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(hào)鏈設(shè)計(jì)工具
圖3.8 AD8221有效工作配置
如圖3.9,當(dāng)輸入共模電壓調(diào)整為±6V，使用該配置的電路會(huì)出現(xiàn)故障提示，AD8221內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓受到供電電壓限，以及整改方式，包括：
(1)縮小輸入信號(hào)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(jié)合輸入差模信號(hào)，共模信號(hào)、參考源電壓（含驅(qū)動(dòng)方式）這些因素綜合考慮，電路可能會(huì)難以正常工作。