使用运算放大器的仪表放大器电路

几乎所有传感器类型传感器将真实世界的参数（如光、温度、重量等）转换为电压值，供我们的电子系统理解。该电压水平的变化将有助于我们分析/测量现实世界的参数，但在生物医学传感器等一些应用中，这种变化非常小（低电平信号），即使是微小的变化也要跟踪以获得可靠的数据，这一点非常重要。在这些应用程序中仪表放大器使用。

仪表放大器，又称INO或顾名思义的以安培为单位的放大器，可以放大电压的变化，并像任何其他运算放大器一样提供差分输出。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。如果你现在还没有得到它，那也没关系，在这篇文章中，我们将了解这些仪器放大器，由于这些IC比运算放大器相对昂贵，我们也将学习如何使用像这样的普通运算放大器LM385或LM324用于构建仪表放大器并将其用于我们的应用程序。运算放大器也可用于构建电压加法器和电压减法器电路.

什么是仪表放大器IC？

除了普通运算放大器IC，我们还有一些特殊类型的仪器放大器，如INA114中集成电路。它只不过是几个普通的运算放大器组合在一起，用于某些特定的应用。要了解更多信息，请查看INA114的数据表，了解其内部电路图。

正如你所看到的，IC接收两个信号电压V_在-和V_在+，为了便于理解，让我们从现在起将它们视为V1和V2。输出电压（V_哦)可以使用以下公式计算

五、哦=G（V2–V1）

其中，G是运算放大器的增益，可以使用外部电阻器R进行设置_G并使用以下公式进行计算

G=1+（50kΩ/RG）

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

所以基本上，现在如果你看一下输入放大器只是为两个电压源之间的差提供了可以由外部电阻器设置的增益。这听起来熟悉吗？如果没有，请查看差分放大器设计然后回来。

对这正是差分放大器的作用，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，通俗地说，仪表放大器是另一种差分放大器，但具有更大的优势，如高输入阻抗和易于增益控制等。这些优势是因为设计中的其他两个运算放大器（A2和A1），我们将在下一个标题中了解更多信息。

了解仪表放大器

为了完全理解仪器放大器，让我们将上面的图像分解为有意义的块，如下所示。

正如你所看到的输入放大器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，现在我们将看看它们是如何组合形成差分运算放大器的。

差分放大器和仪表放大器之间的区别

我们已经学会了如何设计和使用我们上一篇文章中的差分放大器差分放大器几乎没有显著的缺点是，由于输入电阻器，它具有非常低的输入阻抗，并且由于高共模增益，它具有很低的CMRR。由于缓冲电路的存在，这些问题将在仪表放大器中得到解决。

此外，在差分放大器中，我们需要改变许多电阻器来改变放大器的增益值，但在差分放大中，我们可以通过简单地调整一个电阻器值来控制增益。

使用运算放大器（LM358）的仪表放大器电路图

现在，让我们使用运算放大器构建一个实用的仪器放大器，并检查它是如何工作的。这个运算放大器仪表放大器电路下面给出了我正在使用的。

该电路总共需要三个运算放大器；我用过两个LM358集成电路这个LM358型是一个双封装运算放大器，也就是说，它在一个封装中有两个运算放大器，所以我们的电路需要两个。同样，您也可以使用三个单封装LM741运算放大器或一个四封装LM324运算放大器。

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器都是10k，所以它充当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之间的电压差。

这个仪表放大器电路的输出电压可以使用以下公式进行计算。

Vout=（V2-V1）（1+（2R/Rg））

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

Rg=增益电阻器。这里Rg＝R1，它是22k。

因此，R和Rg的值决定了放大器的增益。增益值可以通过以下公式计算

增益=（1+（2R/Rg））

仪表放大器电路的仿真

上述电路在模拟时给出以下结果。

正如你所看到的，输入电压V1是2.8V，V2是3.3V。R的值是10k，Rg的值是22k。将所有这些值代入上述公式

Vout=（V2-V1）（1+（2R/Rg））
=（3.3-2.8）（1+（2x10/22））
= (0.5)*(1.9)
=0.95伏

我们得到的输出电压值为0.95V，这与上面的模拟相匹配。所以上面电路的增益是1.9，电压差是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出现在电阻器Rg两端，这是由于运算放大器U1:A和U1:B的负反馈。这确保了Rg两端的电压降等于V1和V2之间的电压差，这导致等量的电流流过电阻器R5和R6，从而使运算放大器U2:A的引脚3和引脚2上的电压相等。如果测量电阻器之前的电压，您可以看到运算放大器U1:A和U1:B的实际输出电压，其差值将等于模拟中所示的输出电压。

在硬件上测试仪表放大器电路

足够的理论让我们在试验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。

我用过试验板电源我们早些时候建造的。这个板可以提供5V和3.3V。我使用5V轨为我的两个运算放大器供电，并将3.3V作为信号输入电压V2。使用我的RPS将另一个输入电压V2设置为2.8V。由于我还使用了10k电阻器作为R，22k电阻器作为R1，因此电路的增益将为1.9。差电压为0.5V，增益为1.9的乘积，输出电压为0.95V，使用万用表测量并显示在图像中。这个视频显示了仪表放大器电路的完整工作链接如下。

类似地，您可以使用上面讨论的公式更改R1的值以根据需要设置增益。由于使用单个电阻器可以非常容易地控制该放大器的增益，因此它通常用于音量控制音频电路.

希望你能理解电路，并喜欢学习一些有用的东西。如果你有任何问题，请在下面的评论区留言，或使用论坛快速回复。