摘 要 仪表放大器电路由于具有高输入阻抗、低噪声和高共模抑制比等优点具有非常广泛的应用，本文首先介绍了仪表放大器的工作原理、内部构成，然后采用精密型运算放大器OP07来设计了低噪声专用仪表放大器，最后通过性能测试来验证了设计的合理性，本文对仪表放大器的深入研究具有一定的理论意义。
关键词 仪表放大器；低噪声；共模抑制比
中图分类号 TN 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0188-01
随着电子技术和材料技术的快速发展，运算放大电路取得了广泛的应用。仪表放大器作为运算放大器的一种，它通过把元器件集成在放大器内部，从而使得它的结构具有高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比、低线性误差和低失调漂移等优点，使其在数据采集、传感器信号放大和高速信号调节等方面应用广泛。
1 仪表放大器
仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。仪表放大器与运算放大器的不同之处在于运算放大器的闭环增益是由反相输出端与输出端之间连接的外部电阻来决定的，而仪表放大器的闭环增益是由输入端隔离的内部反馈电阻网络来决定的。简单说来，仪表放大器（Instrumentation Amplifier）就是一种能够精确放大两个输入端口间的电压差值（即差分信号），同时抑制掉任何同时出现在两个输入端口的电压信号（即共模信号）的放大器，并将差分输入转换为单端输出。
仪表放大器主要具有以下特点：
1）高共模抑制比。理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量都必须被抑制掉。然而在实际的应用过程中，仪表放大器往往处于数据采集的前端，很容易受到环境和温度等外界因素的影响，从而使得共模信号没有被彻底抑制掉。共模抑制比（CMRR）是用来衡量仪表放大器的一个重要指标，它是差模增益Ad与共模增益Ac的比值，即CMRR=201g|Ad /Ac|。由于仪表放大器具有很高的共模抑制比，通常都在70dB以上。
2）低噪声。用来制造仪表放大器的CMOS电路本身也会包含一些噪声，但是由于仪表放大器对非常低的输入信号进行处理，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到处理的信号上去，通常采用调零和斩波技术的仪表放大器，把自身噪声信号进行折算。
3）低非线性。仪表放大器的输入失调和比例系数误差我们都可以通过外部调整来修正，但是非线性是器件的固有特性，我们无法通过外部调整来进行消除，因此低非线性误差必须由仪表放大器生产厂家的结构设计来保证。非线性通常定义为在正满度电压与负满度电压及零电压条件下，厂家测量仪表放大器的误差占满度的百分数，对于一个高质量的仪表放大器来说，通常的非线性误差为0.01％，有的甚至可能低于0.0001％。
4）输入偏置电流、失调电流误差低。偏置电流流过不平衡的信号源电阻时将会产生一个失调误差。我们通常采用一个高阻值的电阻把每个输入端与地相联的方法来解决这个问题。
2 仪表放大器電路结构
仪表放大器电路的典型结构如图1所示。由图1可知，仪表放大器主要由两级差分放大器电路构成。其中，运算放大器A1和A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，从而减小放大电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号进行放大，对共模输入信号进行跟随，从而最大限度的来提高共模抑制比CMRR。这样在以运算放大器A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，通过降低对电阻R3和R4，R5和Rf 的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，R5=Rf 的条件下，仪表放大器电路的增益为：
G=（1+2R1/Rg ）（Rf /R3）。其中，仪表放大器电路增益的大小可以通过改变Rg阻值的大小来实现。
3 低噪声专用仪表放大器设计
低噪声专业仪表放大器结构如图2所示。由图2可知，运算放大器A1，A2，A3是由精密型运算放大器OP07来构成的。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等
方面。
由图2可知，运算放大器A1和A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，从而减小放大电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号进行放大，对共模输入信号进行跟随，从而最大限度的来提高共模抑制比CMRR。在R1=R2，R3=R4，R5=Rf 的条件下，仪表放大器电路的增益为：G=（1+2R1/Rg ）（Rf /R3）。其中，仪表放大器电路增益的大小可以通过改变Rg 阻值的大小来实现。
4 性能测试与分析
低噪声专业仪表放大器性能测试主要是从信号源Vs的最大输入和Vs
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最小输入、电路的最大增益及共模抑制比等几个方面进行测试。测试数据分别见表1所示。由表1可知，f表示VS输入信号的频率，电压测量数据全部以峰峰值表示。VS最大（小）输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大（小）输入；最大增益是指在给定测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑制比由公式CMRR=20lg|Ad/Ac|（dB）计算而得。
由表1结果可知，本文设计的低噪声专用仪表放大器在信号输入范围（即Vs的最大、最小输入）、电路增益、共模抑制比等方面的性能表现优异，符合低噪声等性能的要求，具有一定的研究价值。
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