仪表放大器的REF引脚的作用.补篇

原创 云深之无迹 2023-09-01 16:55

鄙人又来了,我这几日又沉迷于仪表放大器,仪器一些不是很明朗的用法,现在终于开窍了!

照例还是说下:仪表放大器 (INA) 是一种非常特殊的差分输入放大器;其主要重点是提供差分增益和高共模抑制,INA 提供高输入阻抗和低输出阻抗。INA 的一般定义是配备一到三个内部运算放大器 (op amp) 的电路或设备,用于改善信号质量并增强共模抑制。

共模就是相同的信号

共模噪声又称对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声。差分信号不是一定要相对地来说的,如果一根线是接地的,那他们的差值就是相对地的值了,这就是模拟电路中讲过的差分电路的单端输入情况。

共模电压有直流的,也有交流的。直流的称为直流共模抑制(比),交流的称为交流共模抑制(比),统称共模抑制(比)。

一般的放大器特别是仪表放大器,有较好的直流共模抑制,但对交流共模抑制,频率一高往往就不行了----急剧下降,即频率响应不行。

INA 可以很好地将差分信号转换为单端信号。单端信号只需要一根导线参考另一根导线,这意味着多个单端信号都参考同一条导线。这减少了设计中的电线数量。
单端信号很有用,因为许多模数转换器 (ADC) 应用需要单端信号才能运行。
    因此, 对于采用传感器输入的系统,INA 可以很好地用作 ADC 驱动器。ADC 不能接受高共模电压;INA 通过降低共模电压来解决此问题,以便 ADC 能够运行。

INA 的最后一级是差分放大器。这是放大器中抑制共模电压的部分。该阶段将两个输入信号相减。在独立的差分放大器中,R2 和 R4 相等,R1 和 R3 也相等;这些电阻器将设置增益。但在仪表放大器中,增益由输入级设置,因此对于 1 V/V 的增益,R1 至 R4 相等。我不讲理论,就是一些公式,在数学上面说明为什么可以把差模信号放大。

我先上个图:

仪表放大器的REF引脚的作用,我以前不求甚解的写过这个文章,虽然粗糙,其实也说明白了。REF的引脚就是如名字一样,给输出的单端电压一个参考,这个就可以控制它的两个极值,最大和最小,不过这个不是无限的,要看数据手册的。

上面这个图挺重要,意思是5V的电压下,在两个参考值下输入和输出的关系,有时候运放不工作就是因为输入的信号摆幅太小了。

在数据手册里面都可以找到这个图

其实大家做的运放都一样,INA系列的数据手册都差不多,我随便找一个写,原理都一样的,现在说的是三运放结构。

仪表放大器的后面部分是一个差分的放大器

多数应用不需要外部偏移调整;然而,如有必要,可以通过向 REF 端子施加电压来进行调整。图显示了用于微调输出失调电压的可选电路。施加到 REF 端子的电压在输出处求和。运算放大器缓冲器在 REF 端子处提供低阻抗,以保持良好的共模抑制。

INA826 的输出电压是根据参考引脚上的电压而制定的。通常在双电源操作中,参考引脚连接到低阻抗系统接地。
在单电源操作中,将输出信号偏移到精确的中间电源电平可能很有用(例如, 5V 电源环境中的 2.5V)。
例如,要实现此电平转换,请将电压源连接到 REF 引脚以对输出进行电平转换,以便 INA826 可以驱动单电源 ADC。
为了获得最佳性能,请保持 REF 引脚的源阻抗小于 5 Ω。如功能框图部分所示,参考电阻器位于 50kΩ 电阻器的一端。REF 引脚处的额外阻抗会增加该 50kΩ 电阻。电阻比不平衡会导致共模抑制比 (CMRR) 降低。
一般的信号均有源阻抗,此阻抗可以不同程度破坏电路的对称性,因此,用差分放大器时要小心它引起的误差。
显示了驱动低阻抗参考引脚的两种不同方法。OPA330是一款低功耗斩波稳定放大器,因此在整个温度范围内具有出色的稳定性。REF3225是采用小型 SOT23-6 封装的精密基准。这个REF3225的芯片挺牛逼的,10块钱一颗。
里面的INA8xx符合每一个仪表运算器的设计,不是针对一个特定的型号!!!!
继续说这个REF的事情:

一般为了平衡,R4电阻是上下一样的

也就是R2和R4

差分运算放大器A3充当减法器的输出电压,仅是其两个输入之间的电压差(V2 - V1),并且被A3的增益放大,该增益可能为1,单位为零(假设R3 = R4)。然后,对于仪表放大器电路的总电压增益,我们有一个通用表达式:仪表放大器公式

我想说的是,R4就是控制的REF,假如R4变大,后面这个项就变大。也就是说Vout是大的输出。

因此,它也会将减法器运放的输入拉向中间电源电压。

来看一个AD家的东西,看REF,以及看这个封装,为了就是达到极度的平衡。

这话我看不懂

好像是我们的计算模型里面,上下两个电阻是平衡的,所以不能超太多。然后你在REF上面加的东西,会变成阻抗,送回给正信号端口。接着就是信号的不平衡,导致我们的输出有问题。

后一级的放大器

理想情况下,差分放大器电路中的电阻应仔细选择,其比值应相同 (R2/R1 = R4/R3)。

这些比值有任何偏差都将导致不良的共模误差。差分放大器抑制这种共模误差的能力以共模抑制比(CMRR) 来表示。

它表示输出电压如何随相同的输入电压(共模电压)而变化。

在最佳情况下,输出电压不应该改变,因为它只取决于两个输入电压之间的差值(最大 CMRR);但是,实际使用中情况会有所不同。CMRR 是差分放大器电路的重要特性,通常以 dB 来表示。

如果是精密放大,抑制共模信号在信号传输中降低噪声信号十分重要。

布局的时候应该尽可能的让电阻和电容尽可能的小,尽可能的平衡

在另外一个数据手册就把这个公式写成比值了

使用稳定的直流电压给仪表放大器供电。电源引脚上的噪声会对器件性能产生不利影响。 

尽可能靠近各电源引脚放置一个0.1 μF电容。因为高频时旁 路电容引线的长度至关重要,建议使用贴片电容。

旁路接地走线中的任何寄生电感会对旁路电容的低阻抗产生不利 影响。如图所示,离该器件较远的位置可以用一个10 μF 电容。对于在较低频率下发挥作用的较大电容,电流回路长度不是非常重要。大多数情况下,其它精密集成电路可以共享该10 μF电容。

输入偏置电流必须有一个对地的返回路径。如图所示,使用浮动信号源(如热电偶)时,因为无电流返回路径,所以需建立电流返回路径。

输入端的过滤器

这个地方其实有一段精彩的噪音计算,我就不说了。

看这个,我们一般是差分转单端,现在是差分转差分

差分转单端,提高CMR,然后连接在ADC。

再看一个差分驱动

显示如何利用AD8228来驱动差分ADC。AD8228结合 一个运算放大器和两个电阻来实现差分驱动。510 Ω电阻和 2200 pF电容将仪表放大器与典型SAR型转换器的开关电容前端产生的开关瞬变隔离。ADC与放大器之间的这些元件也会构成一个142 kHz的滤波器,用于提供抗混叠和噪声滤波功能。

这段瞎写了,我找不到它咋算的。

我发现了一个有趣的芯片!!!

REF基准使用于仪表放大器,可使用输出电压方便。
在一般的仪表放大器中,REF基准需要以低阻抗进行驱动,因此通常在电阻分压后用运算放大器等进行缓冲以达到低阻抗[图1-(B)]。如图1-(A)所示,采用电阻分割驱动的方法时,由于该分压电阻会破坏减法器电路的平衡,结果仪表放大器的同相噪声去除比下降,增益的精度下降,需要注意。
AD8237的REF基准具有特殊的体系结构。因此,即使通过电阻分割决定REF基准的电位,也不会损害性能。如果是增益高的构成,也可以直接连定电阻进接半固行调整。由此,可以削减从仪表放大器电路到REF基准所需的缓冲器用运算放大器。
此外,虽然AD8237的偏移电压极小,但在这里也可以进行偏移调整。

这个片子很厉害呀!
间接电流反馈体系结构的体系结构的优点,该体系结构允许在高增益设置下实现理想的钻石图,从而允许设计相对于输入共模电压(VCM)的宽范围输出电压(VOUT)。

AD8237是少数几种仪器放大器之一,适用于大多数配置的理想钻石图。如图3中的G=100)下,如图中的图形条件所示,AD8237的钻石图是一个简单的正方形。具有此类钻石图形特性的AD8237可以在等于或略高于电源电压的共模电压下完全放大微小信号。

我是喜欢我这个光的

坐等台风来

今天就写到这里吧,我去搭电路玩了。

https://www.cytech.com/technical-articles/low-consumption-high-precision-instrumentation-amplifier-ad8237-doesnt-suffer
https://www.analog.com/cn/technical-articles/increasing-the-common-mode-rejection-ratio-of-differential-amp.html
https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E5%85%B1%E6%A8%A1%E6%8A%91%E5%88%B6%E6%AF%94
http://www.enroo.com/support/category1/dpjrmzs/50827148.html
https://e2echina.ti.com/support/amplifiers/f/amplifiers-forum/68002/ref

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