隔離放大器與儀用放大器

1、. 智能儀器與系統(tǒng)智能儀器與系統(tǒng) 56學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 第二章第二章 智能儀器的輸入智能儀器的輸入/輸出通道及接口技術(shù)輸出通道及接口技術(shù) （二）儀用放大器及隔離放大器（二）儀用放大器及隔離放大器主要講解的內(nèi)容主要講解的內(nèi)容: :1)1)儀用放大器的作用及原理儀用放大器的作用及原理2)2)儀用放大器的接口及使用儀用放大器的接口及使用3)3)隔離放大器的作用及原理隔離放大器的作用及原理4)4)隔離放大器的接口及使用隔離放大器的接口及使用.重點(diǎn)：重點(diǎn)：1 1）了解儀用放大器的基本工作原理）了解儀用放大器的基本工作原理 2)2)掌握程控指數(shù)增益儀用放大器掌握程控指數(shù)增益儀用放大器和和多多 檔程控儀用放大器的使

2、用及接口形檔程控儀用放大器的使用及接口形 式式. 3 3）了解隔離放大器的基本工作原理）了解隔離放大器的基本工作原理 和使用和使用 .用單個(gè)運(yùn)放組成的基本放大器綜合性能指標(biāo)一般都不用單個(gè)運(yùn)放組成的基本放大器綜合性能指標(biāo)一般都不高，只能用在要求不高，條件不太惡劣的場(chǎng)合，當(dāng)它高，只能用在要求不高，條件不太惡劣的場(chǎng)合，當(dāng)它們的性能不能滿足應(yīng)用要求時(shí)，可以使用儀用放大器。們的性能不能滿足應(yīng)用要求時(shí)，可以使用儀用放大器。儀用放大器是一種精密的儀用放大器是一種精密的差動(dòng)電壓增益差動(dòng)電壓增益器件，它的特器件，它的特點(diǎn)是：高輸入阻抗，低偏置電流，低漂移，高共模抑點(diǎn)是：高輸入阻抗，低偏置電流，低漂移，高共模抑制

3、，制，平衡的差動(dòng)輸入和單端輸出平衡的差動(dòng)輸入和單端輸出，放大增益可由用戶，放大增益可由用戶選擇電阻來(lái)設(shè)定。它的主要用途是作選擇電阻來(lái)設(shè)定。它的主要用途是作傳感器傳感器信號(hào)的放信號(hào)的放大，或作差動(dòng)小信號(hào)的大，或作差動(dòng)小信號(hào)的前置放大前置放大。所以儀用放大器也。所以儀用放大器也是智能儀器中最常用的放大器之一。是智能儀器中最常用的放大器之一。一一. .儀用放大器（測(cè)量放大器）儀用放大器（測(cè)量放大器）1.儀用放大器的作用儀用放大器的作用.2.儀用放大器的工作原理儀用放大器的工作原理儀用放大器又稱儀用放大器又稱測(cè)量放大器或數(shù)測(cè)量放大器或數(shù)據(jù)放大器。典型據(jù)放大器。典型的儀用放大器電的儀用放大器電路結(jié)構(gòu)為路

4、結(jié)構(gòu)為對(duì)稱性對(duì)稱性結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如左圖所示：如左圖所示：它由三個(gè)運(yùn)放和它由三個(gè)運(yùn)放和幾個(gè)電阻組成。幾個(gè)電阻組成。由同相放大器由同相放大器A1,A2構(gòu)成輸入構(gòu)成輸入極極,信號(hào)從信號(hào)從A3輸輸出出,.儀用放大器儀用放大器上下對(duì)稱，上下對(duì)稱，即圖中即圖中R1=R2R1=R2，R3R3R4R4，R5R5R6R6。則放。則放大器閉環(huán)增大器閉環(huán)增益為：益為：.從上式可看出從上式可看出: :由于由于電路參數(shù)選擇對(duì)稱形式電路參數(shù)選擇對(duì)稱形式,放大倍數(shù)和二個(gè)輸入放大倍數(shù)和二個(gè)輸入端的失調(diào)電壓無(wú)關(guān)端的失調(diào)電壓無(wú)關(guān). .所以輸出信號(hào)不會(huì)受共模干擾所以輸出信號(hào)不會(huì)受共模干擾的影響的影響. .即儀用放大器可抑制共模干擾即儀用

5、放大器可抑制共模干擾. .改變電路參數(shù)改變電路參數(shù)RGRG或或R R都可改變其放大倍數(shù)都可改變其放大倍數(shù). .一般一般為了保證電路參數(shù)的對(duì)稱性，改變?cè)鲆孀詈蠟榱吮ＷC電路參數(shù)的對(duì)稱性，改變?cè)鲆孀詈侠恚詈?jiǎn)單的辦法是改變理，最簡(jiǎn)單的辦法是改變R RG G的阻值。當(dāng)采用集成儀的阻值。當(dāng)采用集成儀用放大器時(shí)，用放大器時(shí)，RGRG一般為外接電阻一般為外接電阻若改變?nèi)舾淖僐GRG的阻值用程序控制的阻值用程序控制, ,就可成為程控儀用就可成為程控儀用放大器放大器. . 假設(shè)假設(shè)R3=R5R3=R5，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為1 1，則可以，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：推出儀用放大

6、器閉環(huán)增益為：)/21 (1GfRRA.2 2）儀用放大器特別適合用于長(zhǎng)距離的測(cè)量。儀用放大器特別適合用于長(zhǎng)距離的測(cè)量。3. 3. 儀用放大器的特點(diǎn)及應(yīng)用儀用放大器的特點(diǎn)及應(yīng)用1 1）儀用放大器由于采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)且信號(hào)直接加儀用放大器由于采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)且信號(hào)直接加在輸入端，在輸入端，因此輸入阻抗很高，有很強(qiáng)的抑制共因此輸入阻抗很高，有很強(qiáng)的抑制共模干擾能力。模干擾能力。例如工業(yè)過(guò)程中的溫度傳感器熱電偶就經(jīng)常用在很惡例如工業(yè)過(guò)程中的溫度傳感器熱電偶就經(jīng)常用在很惡劣的環(huán)境中，如用普通放大器放大這樣微弱的傳感器劣的環(huán)境中，如用普通放大器放大這樣微弱的傳感器輸出信號(hào)，放大器對(duì)干擾的抑制能力作用將很弱。一輸

7、出信號(hào)，放大器對(duì)干擾的抑制能力作用將很弱。一般使用般使用差分差分儀用放大器儀用放大器. .如下圖所示如下圖所示:.圖中使用圖中使用可變?cè)鲆娣糯笃骺勺冊(cè)鲆娣糯笃鱌GA203PGA203作為輸出放大器作為輸出放大器, ,由二個(gè)由二個(gè)運(yùn)放運(yùn)放OPA27作為輸入放大器作為輸入放大器,電阻網(wǎng)絡(luò)選擇對(duì)稱形式電阻網(wǎng)絡(luò)選擇對(duì)稱形式, ,使之使之構(gòu)成的儀用放大器構(gòu)成的儀用放大器. . 在原有的放大器的增益的基礎(chǔ)上增加在原有的放大器的增益的基礎(chǔ)上增加了了100100倍倍, ,分別得到了分別得到了10101 1,20,202 2,10,104 4,10,108 8的放大倍數(shù)的放大倍數(shù), ,適當(dāng)改適當(dāng)改變變20020

8、0(RG)RG)的阻值的阻值, ,和程控放大器一樣和程控放大器一樣還可得到其它放大還可得到其它放大倍數(shù)倍數(shù). .例如例如AD512, AD522AD512, AD522， AD612AD612，AD614AD614 ,AD620AD620，AD623AD623都都是美國(guó)是美國(guó)ADAD公司生產(chǎn)的集成儀用放大器芯片，另外公司生產(chǎn)的集成儀用放大器芯片，另外INA114/118INA114/118則是則是BBBB公司提供的二種高精度儀用放大器。公司提供的二種高精度儀用放大器。其主要性能指標(biāo)均超過(guò)其主要性能指標(biāo)均超過(guò)AD512, AD512, 還有還有MAXMAX公司的公司的MAX4195/4196/4

9、197MAX4195/4196/4197等其中等其中INA114INA114是一種通用是一種通用儀用放儀用放大器大器,尺寸小尺寸小,精度高精度高,價(jià)格便宜價(jià)格便宜.例例1) INA114INA114主要性能如下主要性能如下:4. 集成程控儀用放大器集成程控儀用放大器1) 1) 典型的程控儀用放大器集成電路芯片典型的程控儀用放大器集成電路芯片.電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%1%，引起放大器，引起放大器的漂移電壓值的漂移電壓值. .對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一.從上圖可看出從上

10、圖可看出, ,由三個(gè)放大器和一些電阻構(gòu)成由三個(gè)放大器和一些電阻構(gòu)成, ,電阻選擇對(duì)電阻選擇對(duì)稱形式稱形式.V0(6.V0(6引腳引腳) )為輸出信號(hào)為輸出信號(hào),V1+,V1+和和V1-(2,3V1-(2,3引腳引腳) )為對(duì)稱為對(duì)稱輸入信號(hào)輸入信號(hào),(4,7,(4,7引腳引腳) )為供電電源為供電電源,(1,8,(1,8引腳引腳) )為外接可調(diào)電為外接可調(diào)電阻阻R RG G,(5,(5引腳引腳) )為基準(zhǔn)電壓端為基準(zhǔn)電壓端. .使用時(shí)基本連接方法如下圖所示使用時(shí)基本連接方法如下圖所示: :.50K50K 二個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和二個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和,R,RG G為外部可調(diào)電阻為外部可調(diào)電阻. .利

11、用儀用放大器利用儀用放大器AD612AD612或或AD614AD614外接外接多路開關(guān)多路開關(guān)組成，組成，其原理圖如下：其原理圖如下：例例2 2 程控指數(shù)增益儀用放大器程控指數(shù)增益儀用放大器.八選一多路開關(guān)四選一多路開關(guān)儀用放大器(23.24)(23.24)引腳為引腳為輸入信號(hào)端輸入信號(hào)端, ,1414引腳為輸出信引腳為輸出信號(hào)端號(hào)端3-123-12引腳為內(nèi)部引腳為內(nèi)部可調(diào)電阻端可調(diào)電阻端.八選一多路開關(guān)四選一多路開關(guān)儀用放大器使用使用2 2片模擬片模擬多路開多路開關(guān)關(guān)AD7503AD7503，AD7510AD7510，其，其中中AD7503AD7503為八選一的為八選一的 模擬多路開關(guān)接模擬

12、多路開關(guān)接 3-103-10引腳用于選引腳用于選 擇擇2-2562-256倍增益倍增益 電阻；電阻； AD751AD751 接接11-1211-12引腳引腳, , 用于選擇用于選擇2 29 9.2.21010 倍增益電阻倍增益電阻. .八選一多路開關(guān)四選一多路開關(guān)儀用放大器控制端口用控制端口用80318031單片機(jī)的單片機(jī)的P1.0-P1.3P1.0-P1.3，其，其輸出控制代碼輸出控制代碼N NC C與閉環(huán)增益與閉環(huán)增益A A的關(guān)系是：的關(guān)系是：.由由P1.3P1.3控制使能端控制使能端,P1.0-P1.2,P1.0-P1.2控制增益的放大倍數(shù)控制增益的放大倍數(shù). .當(dāng)當(dāng)0 0 N NC C

13、88時(shí)（低時(shí)（低8 8位時(shí)），位時(shí)）， P1.3=0P1.3=0，AD7503AD7503被選通，被選通，選通選通2 21 1 - 2- 28 8的閉環(huán)增益；的閉環(huán)增益；當(dāng)當(dāng)8 8 N NC C 9 9時(shí)，（高時(shí)，（高2 2位時(shí)）位時(shí)） P1.3=1P1.3=1， AD7503AD7503被被禁止，禁止， AD7510AD7510工作，選通工作，選通2 29 9， 2 21010的閉環(huán)增益。的閉環(huán)增益。 .使用使用AD612或或AD614外接電阻替代外接電阻替代RG實(shí)現(xiàn)多檔增益程實(shí)現(xiàn)多檔增益程控儀用放大器。如下圖所示：各檔增益所需控儀用放大器。如下圖所示：各檔增益所需RG的阻值的阻值可用下式計(jì)

14、算：可用下式計(jì)算：其中其中Ai為各檔所需閉為各檔所需閉環(huán)增益。環(huán)增益。例例3: 多檔程控儀用放大器多檔程控儀用放大器程控儀用放大器.在儀用放大器中，前級(jí)共模增益與電阻在儀用放大器中，前級(jí)共模增益與電阻R1，R2，RG無(wú)關(guān)，因此可利用這一特點(diǎn)，通過(guò)改變無(wú)關(guān)，因此可利用這一特點(diǎn)，通過(guò)改變R1，R2的阻值來(lái)改變整個(gè)放大器的閉環(huán)增益，可獲得增益的阻值來(lái)改變整個(gè)放大器的閉環(huán)增益，可獲得增益與控制代碼成線性關(guān)系的程控儀用放大器。其原理與控制代碼成線性關(guān)系的程控儀用放大器。其原理圖如下所示：圖如下所示：例例4: 線性程控增益儀用放大器線性程控增益儀用放大器.分別以分別以N N個(gè)等值電阻個(gè)等值電阻R R的串聯(lián)

15、網(wǎng)絡(luò)代替電阻的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)代替電阻R1R1和和R2R2，為保證電阻的對(duì)稱性，為保證電阻的對(duì)稱性, ,二組二組n n選選1 1的多的多路開關(guān)受控于同一個(gè)控制信號(hào)，同步切換與路開關(guān)受控于同一個(gè)控制信號(hào)，同步切換與二組串聯(lián)電阻的串接端二組串聯(lián)電阻的串接端若控制信號(hào)若控制信號(hào)代碼所選通的代碼所選通的開關(guān)與此開關(guān)串接入開關(guān)與此開關(guān)串接入反饋回路電阻反饋回路電阻R R的個(gè)數(shù)相同，的個(gè)數(shù)相同，則此時(shí)的閉則此時(shí)的閉環(huán)增益環(huán)增益為：為：.圖中圖中R3=R4R3=R4，R5=R6R5=R6。顯然通過(guò)選擇。顯然通過(guò)選擇R R與與R RG G， R5R5和和R3R3的比值，可以得到所需的線性增益。的比值，可以得到所需的線

16、性增益。例如例如R RG G =2 R=2 R， R5= R3R5= R3，則，則A A=1+N=1+NC C。.在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中，R1和和R2的串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)和多路開關(guān)的串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)和多路開關(guān)通常使用數(shù)字電位器來(lái)代替，其電路實(shí)現(xiàn)極為方便。通常使用數(shù)字電位器來(lái)代替，其電路實(shí)現(xiàn)極為方便。下圖給出了使用美國(guó)下圖給出了使用美國(guó)X i c or公司公司X9221雙非易失性雙非易失性數(shù)控電位器實(shí)現(xiàn)的線性增益程控儀用放大器實(shí)例。數(shù)控電位器實(shí)現(xiàn)的線性增益程控儀用放大器實(shí)例。.數(shù)控電位器 0 0 NC NC 63 63。最小增益為。最小增益為1 1，最大增益為最大增益為12.12.7 7。增益步。增益

17、步進(jìn)值為進(jìn)值為0.20.2。圖中選用圖中選用X9221X9221芯片，芯片，VHVH端端和和VLVL端電阻為端電阻為40k40k ，滑動(dòng)端，滑動(dòng)端VWVW步進(jìn)電阻差值為步進(jìn)電阻差值為794 794 。取取RG =7.94 RG =7.94 k k ，則程控增益為：，則程控增益為： A A=1+0 . 2NC =1+0 . 2NC ，其中，其中， NC NC 為滑動(dòng)端位置，為滑動(dòng)端位置， 放大器使用放大器使用80318031的的P1 .0P1 .0口口和和P1 .1P1 .1口作為口作為X9221X9221的串行的串行總線時(shí)鐘和通信線總線時(shí)鐘和通信線. .二. 隔離放大器1.1.隔離放大器的作用

18、及使用場(chǎng)合隔離放大器的作用及使用場(chǎng)合什么是隔離放大電器？什么是隔離放大電器？隔離放大電器的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接隔離放大電器的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒有公共的接地端。的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒有公共的接地端。應(yīng)用于何種場(chǎng)合？應(yīng)用于何種場(chǎng)合？隔離放大電器主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控系隔離放大電器主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號(hào)。模抑制能

19、力傳送信號(hào)。隔離放大器的組成及表示符號(hào)隔離放大器的組成及表示符號(hào)如下圖所示如下圖所示：放大器分為輸入（放大器分為輸入（A A）和（）和（B B）二個(gè)獨(dú)立供電回路。）二個(gè)獨(dú)立供電回路。目前目前ADAD公司已生產(chǎn)出幾種型號(hào)的隔離放大器，如公司已生產(chǎn)出幾種型號(hào)的隔離放大器，如277277，284/286284/286，289289，290/292290/292等。目前使用的隔離放大器等。目前使用的隔離放大器主要有三種：主要有三種：輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuiso.光耦合式隔離放大器以光為耦合媒介光耦合式隔離放大器以光為耦合媒介,輸入與輸出在輸入與輸出在電氣上完全隔離電氣上完全隔離,通過(guò)光信號(hào)的傳遞通過(guò)光信號(hào)的傳遞,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞.器件本身具有體積小，偏壓系數(shù)低，漂移小，頻帶器件本身具有體積小，偏壓系數(shù)低，漂移小，頻帶寬，漏電流極小，成本低等特點(diǎn)。有一些寬，漏電流極小，成本低等特點(diǎn)。有一些隔離放大隔離放大器還提供了內(nèi)置器還提供了內(nèi)置DC/DC變換器變換器,給使用者提供更大靈給使用者提供更大靈活性活性,因此被廣泛應(yīng)用在各種輸入輸出隔離電路中。因此被廣泛應(yīng)用在各種輸入輸出隔離電路中。其原理圖如下其原理圖如下: :2