使用运算放大器的仪表放大电路

几乎所有类型的传感器和传感器都将现实世界的参数(如光、温度、重量等)转换为电压值，以便我们的电子系统理解它。电压水平的变化将有助于我们分析/测量现实世界的参数，但在一些应用中，如生物医学传感器，这种变化非常小(低电平信号)，跟踪即使是微小的变化也非常重要，以获得可靠的数据。在这些应用中使用仪表放大器。

仪表放大器，又名INO或内放，顾名思义，放大电压的变化，并像任何其他运放一样提供差分输出。但与普通放大器不同的是，仪表放大器将具有高输入阻抗和良好的增益，同时提供全差分输入的共模噪声抑制。如果你现在不懂也没关系，在本文中，我们将了解这些仪表放大器，由于这些IC比运算放大器相对昂贵，我们还将学习如何使用LM385或LM324等普通运算放大器来构建仪表放大器并将其用于我们的应用。运算放大器也可以用来构建电压加法器和电压减法器电路。

什么是仪表放大器IC?

除了普通的运算放大器IC，我们还有一些特殊类型的放大器用于仪表放大器，如INA114 IC。它只不过是几个普通运算放大器组合在一起，用于某些特定应用。要了解更多有关这一点，请查看INA114的数据表，了解其内部电路图。

正如您所看到的，IC接收两个信号电压VIN-和VIN+，为了便于理解，我们现在将它们视为V1和V2。输出电压(VO)可以用公式计算

其中，G是运算放大器的增益，可以使用外部电阻RG设置，并使用下式计算

注意：50k欧姆值仅适用于INA114 IC，因为它使用25k(25+25 =50)的电阻。您可以分别计算其他电路的值。

基本上，现在如果你看它，一个内放大器只是提供两个电压源之间的差异，增益可以由外部电阻设置。这听起来是不是很熟悉?如果没有，请看看差分放大器的设计，然后回来。

是的!，这正是差分放大器所做的，如果你仔细观察，你甚至可以发现上图中的运算放大器A3只不过是一个差分放大器电路。因此，在外行术语中，仪表放大器是另一种差分放大器，但具有更高的优点，如高输入阻抗和易于增益控制等。这些优点是由于另外两个运算放大器(A2和A1)的设计，我们将在下一个标题中更多地了解它。

了解仪表放大器

为了完全理解仪表放大器，让我们将上面的图像分解为如下所示的有意义的块。

正如你所看到的，In-Amp只是两个缓冲运算放大器电路和一个差分运算放大器电路的组合。我们已经分别了解了这两种运算放大器的设计，现在我们将了解它们如何组合形成差分运算放大器。

差分放大器和仪表放大器的区别

在之前的文章中，我们已经学习了如何设计和使用差分放大器。差分放大器的一个相当大的缺点是由于输入电阻而具有非常低的输入阻抗和由于高共模增益而具有非常低的CMRR。由于缓冲电路，这些将在仪表放大器中被克服。

同样，在差分放大器中，我们需要改变很多电阻来改变放大器的增益值，但在差分放大器中，我们可以通过简单地调整一个电阻值来控制增益。

使用运算放大器(LM358)的仪表放大电路图

现在让我们使用运算放大器构建一个实用的仪表放大器，并检查其工作原理。下面给出了我正在使用的运算放大器仪表放大电路。

该电路总共需要三个运放;我使用了两个LM358 ic。LM358是一个双封装运放，也就是说它在一个封装中有两个运放，所以我们的电路需要两个运放。同样，您也可以使用三个单封装LM741运放或一个四封装LM324运放。

在上述电路中，运算放大器U1:A和U1:B充当电压缓冲器，这有助于实现高输入阻抗。运算放大器U2:A充当差分运算放大器。由于差分运算放大器的所有电阻都是10k，它作为一个单位增益差分放大器，这意味着输出电压将是U2: a的引脚3和引脚2之间的电压之差。

仪表放大器电路的输出电压可以用下面的公式计算。

式中，R =电路的电阻值。这里R = R2=R3=R4=R5=R6=R7等于10k

Rg =增益电阻。这里Rg = r1等于22k。

所以R和Rg的值决定了放大器的增益。增益的值可以通过

仪表放大电路仿真

上述电路经过仿真后得到如下结果。

如您所见，输入电压V1为2.8V， V2为3.3V。R值为10k， Rg值为22k。把所有这些值代入上述公式

我们得到的输出电压值为0.95V，与上面的仿真相匹配。因此上述电路的增益为1.9，电压差为0.5V。所以这个电路基本上会测量输入电压之间的差，并将其与增益相乘，产生输出电压。

您还可以注意到，输入电压V1和V2出现在电阻Rg上，这是由于运算放大器U1:A和U1:B的负反馈。这确保了Rg上的电压降等于V1和V2之间的电压差，从而使流过电阻R5和R6的电流相等，从而使运算放大器U2:A上引脚3和引脚2上的电压相等。如果您测量电阻之前的电压，您可以看到运放U1:A和U1:B的实际输出电压，其差值将等于模拟中上述输出电压。

仪器放大电路的硬件测试

足够的理论让我们在面包板上实际构建相同的电路并测量电压水平。我的连接设置如下所示。

我已经使用了我们之前构建的面包板电源。这个板可以输出5V和3.3V。我使用5V轨道为两个运算放大器供电，3.3V作为信号输入电压V2。另一个输入电压V2设置为2.8V使用我的RPS。由于我还为R使用了10k电阻，为R1使用了22k电阻，因此电路的增益将为1.9。差分电压为0.5V，增益为1.9，输出电压为0.95V，使用万用表测量并显示在图像中。

类似地，您可以使用上面讨论的公式更改R1的值来设置所需的增益。由于这种放大器的增益可以很容易地控制使用一个单一的电阻，它经常用于音量控制音频电路。

本文编译自circuitdigest