儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。大多數(shù)情況下，儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值≥109Ω。其輸入偏置電流也應(yīng)很低，典型值為1nA至50nA。與運(yùn)算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐（mΩ）。運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。與放大器不同的是，儀表放大器使用一個內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，它與其信號輸入端隔離 。對儀表放大器的兩個差分輸入端施加輸入信號，其增益既可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳連接一個內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置，該增益電阻器也與信號輸入端隔離。
專用的儀表放大器價格通常比較貴，于是我們就想能否用普通的運(yùn)放組成儀表放大器？答案是肯定的。使用三個普通運(yùn)放就可以組成一個儀用放大器。電路如下圖所示：
圖1 標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路
輸出電壓表達(dá)式如圖中所示。
看到這里大家可能會問上述表達(dá)式是如何導(dǎo)出的？ 為何上述電路可以實(shí)現(xiàn)儀表放大器？下面我們就將探討這些問題。在此之前，我們先來看如下我們很熟悉的差分電路：
圖2 用單運(yùn)放實(shí)現(xiàn)儀表放大器的差分放大器電路功能框圖
如果R1＝R3，R2＝R4，則VOUT= (VIN2—VIN1)(R2/R1)這一電路提供了儀表放大器功能，即放大差分信號的同時抑制共模信號，但它也有些缺陷。首先，同相輸入端和反相輸入端阻抗相當(dāng)?shù)投也幌嗟取Ｔ谶@一例子中VIN1反相輸入阻抗等于100kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等于反相輸入阻抗的兩倍，即200kΩ。因此，當(dāng)電壓施加到一個輸入端而另一端接地時，差分電流將會根據(jù)輸入端接收的施加電壓而流入。（這種源阻抗的不平衡會降低電路的CMRR）
另外，這一電路要求電阻對R1/R2和R3/R4的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制。例如，當(dāng)增益等于1時，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便下降 到66dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有100Ω的不平衡將使CMR下降 6dB。
為解決上述問題，我們在運(yùn)放的正負(fù)輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：
圖3 帶輸入緩沖的減法器電路
以上前置的兩個運(yùn)放作為電壓跟隨器使用，我們現(xiàn)在改為同相放大器，電路如下所示：
圖4 帶增益緩沖放大器的緩沖減法器電路
