三运放仪表放大器的共模限制分析

本文讨论了三运放架构在仪表放大器中的应用及其局限性。仪表放大器因其高输入阻抗和在大共模电压下的出色差分电压放大能力，在各种测量应用中得到广泛应用，如压力、温度测量以及电流检测。典型的三运放仪表放大器由两级电路组成，第一级提供共模增益和大部分差分增益，第二级则专注于差模增益和共模抑制。 在三运放架构的仪表放大器中，如MAX4194-MAX4197系列，通常可以提供优秀的共模抑制比，并通过一个电阻来设定差分增益。这种放大器的内部结构包括两个输入级和一个输出级，每个运放分别执行特定功能，以确保信号的精确放大和噪声抑制。然而，这种架构也存在一些限制，主要体现在共模输入电压范围上。 由于输出电压由差分增益和参考电压决定，即\( V_{OUT} = \text{增益} \times V_{DIFF} + V_{REF} \)，为了防止输出端进入饱和状态，输入共模电压\( V_{CM} \)必须保持在一定的范围内。这个范围依赖于输出电压\( V_{OUT} \)和参考电压\( V_{REF} \)。当\( V_{REF} = 0 \)时，共模电压需满足\( 0 < V_{CM} \pm V_{OUT}/2 < V_{CC} \)；而当\( V_{REF} = V_{CC}/2 \)时，不等式变为\( 0 < V_{CM} \pm V_{OUT}/2 \pm V_{CC}/4 < V_{CC} \)。 通过图3的展示，我们可以直观地看到在不同输入差分电压下，允许的共模电压范围。这些范围会随着输入差分电压的增大而减小，这意味着放大器的共模输入范围不是固定的，而是动态变化的。理想的状况是，放大器能够在输入差分电压达到最大值时，仍能充分利用电路的增益而不导致输出饱和。 三运放架构的仪表放大器虽然提供强大的性能，但在设计时需要充分考虑共模输入电压的限制，以避免输出饱和并确保测量的精度。在实际应用中，选择适当的参考电压和调整增益设置是至关重要的，以确保在各种操作条件下都能得到可靠的结果。同时，设计者也需要考虑电源电压的影响，以确保放大器在整个工作范围内都能正常工作。