仪表放大器（仪表放大器的特征与工作电压配置办法）
在工业传感范畴中，仪表放大器运用最为普遍，相比通用放大器，它的输入阻抗高，抗共模干扰强，在强噪声环境下，能保证放大电路的增益与精度，然而须要注意仪表放大器的工作电压配置方法比拟庞杂。本篇讨论仪表放大器特百思特网性与有效工作电压配置办法。
1 仪表放大器定义与特征
仪表放大器（instrumentation amplifier,INA）典范构造如图3.1，内部由3个放大器组建而成。第一级由两个放大器（AMP1,AMP2）组建同相放大电路，实现高阻抗差分输入，内置反馈电阻Rf1,Rf2，与外部配置电阻Rg调节增益。第二级应用一个放大器(AMP3)组建差动电路，R1、R2、R3、R4是经过校准的高精度匹配电阻。另外，通过REF脚调节输出电压的参考。
图3.1 仪表放大器构造
仪表放大器输入阻抗通常为G等级。如图3.2，AD8421的共模、差模输入阻抗都为30G。
图3.2 AD8421输入特征
仪表放大器的增益配置通过内部Rf1,Rf2与外部Rg阻值实现,由于每款仪表放大器内部反馈电阻的阻值不同，须要通过数据手册确认。如图3.3，AD8421的增益为式3-1。
增益电阻Rg，满足式3-2。
图3.3 AD8421引脚功效描写
仪表放大器的基准引脚用来调节输出信号的参考电压。如图3.1，基准引脚REF在电阻R4的一端，R4通常为K级。为获得最佳性能，在驱动基准引脚时，不能应用电阻器分压直接驱动，而是在电阻器输出增长放大器做缓冲，再供给到基准引脚，如图3.4。
图3.4AD8421基准引脚驱动方法
2 仪表放大器有效百思特网工作配置
仪表放大器、差分放大器的用处是将输入差模信号进行放大，但是只关注的差模信号，疏忽共模信号就会产生问题。
2017年11月初，一位测量范畴的工程师反馈问题，他应用AD8221数据手册推举电路，如图3.5（a）。将10V单端信号转为+5V差分信号驱动一款∑型ADC。测试中，应用信号源发生幅值为1V的直流信号作为鼓励与电路衔接，AD8221电路输出信号如图3.5（b）。
工程师愿望应用该电路实现万用表的电压测量功效，检测指定规模内任意两点的电压，目前这个电路不能工作。懂得到这里，笔者让工程师查看测量电路与信号源是否存在共地端？答案是没有，信号源与AD8221两个输入端相衔接，除此以外没有任何电气衔接。
图3.5 AD8221运用电路与测试情形
笔者赞助工程师剖析仪表放大器的模型如图3.1，放大的差模信号Vdiff是两个输入端以地电位为参考的电压之差，如式3-3。
这两个输入端都存在共模信号，等于两个输入端对地电压的平均值，如式3-4。
仪表放大器电路第一级放大器的输出电压Va,Vb分离为式3-5、式3-6。
当差模信号与共模信号在输入规模内，仪表放大器能力正常工作，输出电压Vo为式3-7。
目前测试电路的问题在于两个输入信号没有参考电位，所以建议将AD8221的一个输入端与电路板的地电位衔接，工程师修正后电路正常工作。
该案例断定中AD8221仪表放大器的输入信号、输出信号是否在有效规模内的方法是应用钻石图。在指定增益，与指定供电电压规模内，输入共模电压与输出电压规模的有效区间。如图3.6（a），AD8221电路增益为1倍，供电电压为5V时，输入共模电压和输出电压在绿色暗影区，电路有效工作。当供电电压为15V时，输入共模电压和输出电压在红色暗影区，电路有效工作。如图3.6（b），AD8221电路增益为100倍，供电电压为5V时，输入共模电压和输出电压在蓝色暗影区，电路有效工作。供电电压为15V，输入共模电压和输出电压在紫色暗影区，电路有效工作。
图3.6 AD8221钻石图
数据手册通常供给部分典范的供电电压值的钻石图，这无法满足工程师多样的需求，给工程师的设计工作带来很多不便。所以在此推举一款在线评估工具，笔者已经应用该工具赞助过20余位工程师迅速找出设计问题。建议在设计之初，应用工具进行评估，电路网址为：
https://www.analog.com/designtools/en/precisionstudio/
如图3.7为ADI公司精密信号在线设计工具界面，选择“IN AMP”，进入仪表放大器配置窗口，如图3.8(a)。通过选项1选择须要评估的器件AD8221，然后在选项2配置为差分输入架构，接下来配置供电电压Vs为10V，参考电压源VREF为0V，增益Gain为100，输入共模电压Vcm为5V，输入差模电压Vdiff为50mV，该电路配置状况下的钻石图如图3.8（b），在25℃条件下，输出电压Vout与输入共模电压Vcm形成的区域（红色暗影区）没有受到限制，电路正常工作。
图3.7 精密信号链设计工具
图3.8 AD8221有效工作配置
如图3.9,当输入共模电压调剂为6V，应用该配置的电路会涌现故障提醒，AD8221内部节点电压受到供电电压限，以及整改方法，包百思特网括：
(1)缩小输入信号规模。
(2)增大AD8221供电电压。
(3)下降AD8221增益。
(4)调换器件。
图3.9 AD8221 异常工作配置
综上，仪表放大器的工作电配置与通用放大器的工作电压配置有很大不同，所以，如果不联合输入差模信号，共模信号、参考源电压（含驱动方法）这些因素综合斟酌，电路可能会难以正常工作。