单电源仪表放大器电路

3.2.3 三运放仪表放大器的共模范围

三运放仪表放大器的第一级共模增益为单位值,共模电压原封不动的出现在图5中A1,A2的输出端,而差模输入电压(Vdiff)降落在增益电阻上,结果电流流过R5,R6,这意味着当输入差模电压增加时,A1的电压将高于Vcm,A2的电压将低于Vcm。因此,当增益和(或)输入信号增加时,A1,A2的电压范围也会增加,最终被电源电压的范围所限制。可以知道,共模电压可以达到的范围、差模输入电压、增益这三者之间是互相关联的。例如,增加增益会减小共模范围和输入电压范围,同样,增加共模电压会限制差模输入范围并限制增益可能达到的最大值。如果输入级运放的输出摆动已知,那么就能很好地表示输入范围,共模范围和增益之间的关系,以服务于特殊的三运放仪表放大器。

工业应用中运用低电源电压时,可用的摆动范围也越来越少。至于二运放仪表放大器,可以用满幅度运放来解决这个问题,三运放仪表放大器中,因为过度的输入电压、共模电压或增益会削减输入级(A1,A2)的输出电压,所以满幅度输出级(A3)在这里根本起不了什么作用。

3.2.4 低共模应用中优化的单电源三运放仪表放大器

图6是AD623(低耗单电源满幅度仪表放大器)的简图,沿用传统的三运放仪表放大器结构,在用作输入级运放之前,正反相输入电压通过一个PNP管,电压上偏了0.6V。

要理解电平偏移的重要性,先要考虑仪表放大器工作的通常条件。图7示出了AD623的一个典型应用,仪表放大器放大的信号来自一个J型热电偶,仪表放大器连同A/D转换器共同由+5V单电源供电。此应用中。所测温度范围从-200～+200℃,相应的热电偶的电压范围为-7.890～10.777mV。

如通常一样,热电偶的一端接地,使偏置电流流入仪表放大器。因此,同相、反相输入电压中间的共模电压非常接近地电平。实际上,从热电偶而来的电压开始变负时,有效共模电压也变负。

在传统的三运放仪表放大器中,当热电偶电压开始大于零时,输入级的电压扩展效果会导致输入级的一个运放的输出电压变为地。图6的电平偏置结构通过有效的在共模电压上加0.6V,避免了这个问题,从而对地有更多的摆动范围,并且使A1和A2满幅度运放的输出电压处于线性区域,即使输入电压和共模电压低于地电平。输入电压可以负到150mV,这由编程增益和共模电压控制。

在此例中,仪表放大器的设置增益为91.9(RG=1.1kΩ),基准脚的电压设为2V,只要热电偶电压处在温度为-200～+200℃间变化,仪表放大器的输出电压范围就为1.274～2.990V(对地),这个电压摆动范围很适合A/D转换器的输入电压范围(2V±1V)。

3.2.5 单电源二运放仪表放大器在低共模电压中的应用

加一个Vbe电压降使共模电压升高的方法可应用于二运放仪表放大器。图8是AD627的简图,它是一个集成二运放仪表放大器,运用特殊技术来获得整个频率范围内的高CMRR。必须指出,对于三运放仪表放大器而言,必须注意补偿内部节点电压,避免信号饱和,这在单电源应用中格外严格。一般说来,最大增益由输出有效信号的范围决定(反相通道大于50mV,同相通道为100mV以内)。而在输入共模电压接近或等于零的单电源应用中,编程增益有一定限制。当输入、输出和基准引脚(REF)的电压范围由技术说明所规定时,这些引脚的电压范围是互相影响的。在图8中,由含有共模分量Vcm的差模电压Vdiff驱动,运放A1输出端电压是Vdiff、Vcm、Vref引脚电压和编程增益的函数：

VA1=1.25(Vcm +0.5V)- 0.25Vref -Vdiff(25kΩ/RG-0.625)

也可用-IN和+IN(V-和V+)脚上的实际电压来表示：

VA1=1.25(V-+0.5V)- 0.25Vref -(V+ -V-)25kΩ/RG

A1的输出电压在反相通道为50mV以内,同相通道为200mV以内摆动,上述等式可用以验证A1的电压是否在此范围内。从以上任何一个等式可以看到,当Vref作为AD627的输出(A2)正偏置增加时,A1的输出电压会减小。此外,增加输入共模电压会增加A1的输出电压。在共模电压较低的单电源应用中,差模输入电压或REF上的电压太高会使A1的输出变为地电平。输入电压有效上偏0.5V(如T1和T2的Vbe)可以增加一些摆动范围。

表1给出AD627在不同单电源输入条件下的最大增益值,输出摆幅是根据REF脚上的电压得到的,REF上的电压已经被设置为2V或1V,以使增益和输出摆动范围最大。注意在很多情况下,使单电源电压值大于5V毫无好处(输入范围为0V至1V时除外)。

表1 AD627低共模单电源应用的最大增益

4 滤去高频共模信号

所有的仪表放大器都能校正高频中超出频带的信号,一旦校正,这些信号就变成直流失调误差出现在输出端。图9的电路提供了一个很好的RFI抑制,在仪表放大器的通频带内不会降低性能。电阻R1和电容C1(同样R2和C2)组成一个低通RC滤波器,- 3dB带宽F=1/(2πR1C1),代入元件值,这个滤波器有大约40kHz的- 3dB带宽。电阻R1和R2要选择足够大,使电路输入与电容分离,但不能大到增加电路噪声的程度,为维持放大器通频带的共模抑制,电容C1和C2必须是± 5%乃至更好的元件,或经测试能提供很好匹配的低成本元件。

维持低频时的共模抑制,电容器C3是必需的。R1、R2和C1、C2构成桥电路,桥电路的输出与仪表放大器的输入相接。C1,C2的任何失配都会导致桥电路失衡并减小共模抑制。C3确保任何RF信号为共模信号(极性幅值相同地出现在仪表放大器的两个输入端),并且不会差分输入。第二级低通网络(R1+R2和C3)的- 3dB带宽为1/[2π(R2+R1)C3],将C3=0.047m F代入,此电路-3dB信号带宽约为400Hz。典型的直流偏移(整个频率范围内)小于1.5m V,电路对RF信号的抑制大于71dB。通过减小R1、R2至2.2 kΩ,电路的- 3dB信号带宽可以增至900Hz。 除了在仪表放大器之前的电路必须驱动一个抵阻抗负载外,性能与使用4kΩ时相似。

图9的电路可用一个PCB板来建立,元件引线必须尽可能短,电阻R1,R2可为1%金属膜电阻,而电容C1、C2必须为±5%容差元件,以避免降低电路的共模抑制。推荐用5%银云母片电容或松下公司的±2%PPS膜电容。

图9 通常模式和共模抑制RF干扰的衰减电路

图6 AD623采用典型三运放仪表放大器的结构。通过给两个输入端上偏0.6V电压,即使在极低共模电压下也可单电源工作。

图7 AD623的输入级电平偏置非常适用于单电源低共模应用。

温度范围为- 200～+200℃,J型热电偶的电压范围从- 7.890～10.777mV。91.9的增益使仪表放大器的输出电压范围为1至3V(即2V±1V),输出端与单电源供电的AD7776A/D转换器相接。

图8 一个集成二运放仪表放大器AD627,也采用Vbe电平偏置以便低输入共模电压在单电源下工作。

图4 可编程增益的四个电阻间0.1%的失配决定二运放仪表放大器低频时的CMRR。两个运放间闭环增益的差异会导致整个频段CMRR的降低。在180Hz时,200mV的电网谐波会在运放输出端产生800μV的电压。

图5 三运放仪表放大器的结构,R1,R2,R3,R4之间0.1%的失配会导致最坏情况下CMRR为60dB(增益为1)。漂移失配使CMRR降低加剧。

图3 二运放仪表放大器的输入共模范围随差模增益降低 而降低(不可能得到单位增益)。电阻的不匹配决定直流和低频时的CMRR,而高频CMRR取决于通过A1的Vin- 的相移。