三运放仪表放大器的共模抑制与限制分析

本文主要探讨了三运放架构在仪表放大器中的应用及其对性能的制约，强调了仪表放大器在大共模电压环境下的重要性，尤其在测量压力、温度以及电流检测等领域。三运放仪表放大器通过两级电路实现高共模抑制和差分增益设置。 仪表放大器是电子测量系统中不可或缺的组件，它能够处理微弱的差分电压信号，并在高共模电压环境下工作，同时保持高输入阻抗。这种特性使其在各种传感器接口和信号检测中得到广泛应用，如应变仪电桥接口（用于压力测量）、热电偶温度检测以及电流检测（包括低边和高边检测）。 三运放架构是仪表放大器的一种常见设计，如MAX4194到MAX4197系列。这种架构由两部分组成：第一级提供单位共模增益和大部分差分增益，而第二级则专门负责差模增益和共模抑制的提升。这种设计允许通过单个电阻来调节差分增益，增强了灵活性和可配置性。图1展示了这种三运放仪表放大器的内部结构，而图2进一步解释了输入信号如何在二级放大架构中处理，共同实现共模电压的抑制。 在实际应用中，考虑到单电源供电的三运放仪表放大器，通常要求具有高增益且支持满摆幅输入和输出。根据电压关系VOUT = 增益 × VDIFF + VREF，我们可以推导出输出电压与输入差分电压、共模电压以及参考电压的关系。为了确保输出电压在电源电压范围内，需要满足特定的不等式，以防止输出电压超出电源电压摆幅。 当VREF设置为0（适用于单极性输入）时，不等式简化为0 < VCM ± VOUT / 2 < VCC；而在VREF设置为VCC / 2（适用于双极性输入）时，不等式同样需要满足。这些条件确保了仪表放大器在各种工作条件下都能正确、稳定地运行。 三运放架构在仪表放大器设计中提供了良好的共模抑制和差分增益控制，但同时也需要考虑电源电压限制、增益设置以及输入输出电压范围等因素，以确保在实际应用中的有效性和可靠性。这种设计方法为工程师提供了设计高性能仪表放大器的灵活工具，同时也需要在实际应用中仔细平衡这些参数，以适应特定的系统需求。