单电源限制下的三运放仪表放大器优化与Maxim间接电流反馈架构

本文主要探讨了三运放架构在仪表放大器设计中的局限性和挑战，尤其是在单电源供电系统中的应用。通常，三运放仪表放大器因其高增益和共模抑制比（CMRR）而被广泛应用于需要精密测量的工业环境中。然而，当这类放大器受到单电源供电的限制时，其性能会受到一些关键因素的影响。 传统的三运放仪表放大器，如MAX4194-MAX4197系列，其内部结构包括两个级联的电路：第一级提供单位共模增益和大部分差分增益，第二级则提供较小的差模增益并增强共模抑制。这种结构在处理大共模电压时表现出色，但遇到单电源供电情况时，由于输出电压的限制，必须确保输出电压VOUT不超过电源电压VCC，以避免饱和。 当考虑满摆幅输入和输出时，公式VOUT=增益×V_DIFF+VREF表明输出电压受限于VCM（共模电压）和V_DIFF（差分电压）。为了保持输出在有效范围内，必须设定合适的参考电压VREF。如果VREF等于0（适用于单极性输入），不等式变为0<VCM±VOUT/2<VCC；如果VREF等于VCC/2（适用于双极性输入），则不等式变为0<VCM±VOUT/2±VCC/4<VCC。 作者通过图表形式清晰地展示了这些条件，帮助读者理解在不同输入差分电压下，单电源三运放仪表放大器可以承受的最大共模电压范围。这些限制对于设计者来说是一个重要的考虑因素，特别是在选择或设计单电源仪表放大器时，需要权衡增益、共模抑制和供电系统的约束。 文章还介绍了Maxim公司提出的间接电流反馈结构，这是一种针对单电源工作的改进方案，旨在克服传统三运放架构在单电源环境中的局限，提供更加高效和稳定的放大性能。通过这种方法，仪表放大器在满足高精度需求的同时，还能更好地适应现代应用的电源配置，从而扩展了其在工业领域的应用可能性。 本文深入剖析了三运放架构在仪表放大器中的作用及其在单电源供电条件下的限制，强调了选择和设计仪表放大器时需考虑的关键参数，以及如何通过创新设计来优化其性能。这对于理解和应用这些精密电子元件的工程师和设计师来说是一份有价值的参考资料。