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在工业传感领域，仪表放大器的应用最为广泛。与一般放大器相比，它输入阻抗高，抗共模干扰能力强，在强噪声环境下也能保证放大电路的增益和精度。但需要注意的是，仪表放大器工作电压的配置方式比较复杂。本文讨论了仪表放大器的特点和有效工作电压的配置方法。

1仪表放大器的定义和特性

仪表放大器INA)的典型结构如图3.1所示，其内部由三个放大器组成。在第一级中，两个放大器(AMP1、AMP2)形成同相放大器电路，以实现高阻抗差分输入，内置反馈电阻Rf1、Rf2和外部配置电阻Rg来调整增益。第二级使用放大器(AMP3)构成差分电路，R1、R2、R3和R4是经过校准的高精度匹配电阻。此外，通过ref引脚调整输出电压的基准电压。

图3.1仪表放大器的结构

仪表放大器的输入阻抗通常为G ω。如图3.2所示，AD8421的共模和差模输入阻抗均为30GΩ。

图3.2 ad 8421的输入特性

仪表放大器的增益配置由内部Rf1、Rf2和外部Rg电阻值实现。因为每个仪表放大器的内部反馈电阻的电阻值不同，所以需要通过数据表来确认。如图3.3所示，AD8421的增益如公式3-1所示。

增益Rg，满足等式3-2。

图3.3 ad 8421引脚的功能描述

放大器的基准引脚用于调整输出信号的基准电压。如图3.1所示，基准引脚REF位于电阻R4的一端，通常为kω。为了获得最佳性能，驱动基准引脚时，不能用电阻分压直接驱动。相反，可以在电阻输出端添加一个放大器作为缓冲，然后提供给基准引脚，如图3.4所示。

图3.4 ad 8421基准引脚的驱动模式

2仪表放大器的有效工作配置

仪表放大器和差分放大器的目的是放大输入的差模信号，但是只关注差模信号而忽略共模信号会产生问题。

2017年11月初，一位测量领域的工程师反馈。他使用AD8221的数据手册推荐电路，如图3.5(a)所示。将10V单端信号转换为+5V差分信号，以驱动σ-δ型ADC。试验中用信号源产生一个幅值为1V的直流信号，作为激励并与电路相连。AD8221电路的输出信号如图3.5(b)所示。

工程师希望用这种电路实现万用表的电压测量功能，检测指定范围内任意两点的电压。目前这个电路是不行的。了解到这一点，我请工程师检查测量电路和信号源是否有公共接地端。答案是否定的，信号源连接到AD8221的两个输入端，没有其他电气连接。

图3.5 ad 8221的应用电路和测试

作者帮助工程师分析仪表放大器的模型，如图3.1所示。放大后的差模信号Vdiff是以地电位为基准的两个输入端的电压之差，如公式3-3所示。

两个输入端都有一个共模信号，它等于两个输入端接地电压的平均值，如公式3-4所示。

仪表电路第一级放大器的输出电压VA和VB分别为式3-5和式3-6。

当差模信号和共模信号在输入范围内时，仪表放大器可以正常工作，输出电压Vo为公式3-7。

目前测试电路的问题是两路输入信号没有参考电位，建议将AD8221的一个输入端与电路板的地电位相连。经过工程师的修改，电路工作正常。

在这种情况下，判断AD8221仪表放大器的输入信号和输出信号是否在有效范围内的方法就是使用菱形图。在额定增益和额定电源电压范围内，输入共模电压和输出电压范围的有效间隔。如图3.6(a)所示，当AD8221电路的增益加倍，电源电压为5v时，输入共模电压和输出电压都在绿色阴影区域，电路有效工作。当电源电压为15V时，输入共模电压和输出电压都在红色阴影区域，电路有效工作。如图3.6(b)所示，当AD8221的电路增益为100倍，电源电压为5v时，输入共模电压和输出电压都在蓝色阴影区域，电路有效工作。电源电压为15V，输入共模电压和输出电压在紫色阴影区，电路有效工作。

图3.6 ad 8221的菱形图

数据手册通常会提供一些典型的电源电压值的菱形图，无法满足工程师多样化的需求，给工程师的设计工作带来很多不便。所以我推荐一个在线评测工具，作者用过，帮助20多位工程师快速发现设计问题。在设计之初，建议使用工具进行评估。circuit网站是:

https://www.analog.com/designtools/en/precisionstudio/

图3.7是ADI公司精密信号在线设计工具的界面。选择“仪表放大器”进入仪表放大器配置窗口，如图3.8(a)所示。通过选项1选择要评估的器件AD8221，然后在选项2中将其配置为差分输入架构。接下来，配置电源电压vs为10V，基准电压VREF为0V，增益为100，输入共模电压Vcm为5v，输入差模电压Vdiff为50mV。该电路配置的菱形图如图3.8(b)所示。在25℃时，电路的输出电压为100。

图3.7精密信号链设计工具

图3.8 ad 8221的有效工作配置

如图3.9所示，当输入共模电压调整到6V时，采用这种配置的电路会给出故障提示，AD8221的内部节点电压受到电源电压的限制。整改方法包括:

(1)缩小输入信号范围。

(2)提高AD8221的电源电压。

(3)降低AD8221的增益。

(4)更换设备。

图3.9 ad 8221的异常工作配置

综上所述，仪表放大器的工作电气配置与一般放大器有很大不同。因此，如果不综合考虑输入差模信号、共模信号和参考源电压(包括驱动模式)，电路可能难以正常工作。

作者:郑慧敏

来源:放大器参数分析和LTspice仿真

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