現(xiàn)代的電池電壓為3~3.6V,，這就要求電路能在低壓下高效工作。本設(shè)計(jì)提出的一種交流耦合儀表放大器,，具有很大的共模抑制比（CMRR）,、很寬的直流輸入電壓容限以及一階高通特性。這些特性大多是由高增益第一級(jí)設(shè)計(jì)提供的,。電路采用普通參數(shù)值和普通容限的元件,。圖1a示出簡(jiǎn)化的放大器電路。該電路的一般原理是電容器C和電阻器R3對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖和交流耦合,。第二級(jí)由兩個(gè)差動(dòng)放大器AD組成,。每個(gè)差動(dòng)放大器放大差動(dòng)輸入信號(hào)的一半。求和運(yùn)算可以得到求VOUT的如下公式：
在圖1a中,， VA,、VB、VC和VD是兩個(gè)差動(dòng)放大器的輸入電壓,，AD是增益,。時(shí)間常數(shù)2R3C決定高通的截止頻率。圖1b示出了詳細(xì)的電路,。 輸入級(jí)由運(yùn)算放大器A1,、A2、A3和A4組成,。A1和A2是主要的增益級(jí),。因?yàn)锳1和A2的反相輸入端和非反相輸入端的電位相同，所以A1和A2的輸入電壓都供給電阻器R3,。緩沖器A3和A4與電阻器R2一起,，可使R3的電流放大1+R3/R2倍，因?yàn)镽2和R3都連接到相等的電位,。這種電路結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的核心,。電容器C上的電壓沒(méi)有交流分量，而A1和A2各放大差動(dòng)輸入交流信號(hào)的一半,。C濾除出現(xiàn)在A3和A4 輸出端的輸入直流分量,。第二級(jí)是一個(gè)增益為1的、四個(gè)輸入加法器—減法器級(jí),。它能實(shí)現(xiàn)上述的公式,，式中的AD等于1+R1/(R2||R1) ,。假定R3>>R2, AD="1"+R1/R2。
圖1 電容器C對(duì)簡(jiǎn)化的放大器電路（a）進(jìn)行交流去耦,；詳細(xì)的電路（b）采用幾個(gè)增益級(jí)和一個(gè)加法器—減法器級(jí),。
第二級(jí)的另一種可能的實(shí)現(xiàn)方法是采用兩個(gè)差動(dòng)通道ADC，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字化的VOUT,，供微處理器處理,。如果使用一個(gè)±5V的電源，則就有可能利用一塊芯片上的兩個(gè)差動(dòng)放大器,，如INA2134來(lái)獲得VOUT,。你可以計(jì)算出共態(tài)抑制比的最小值：
式中AD(1-4) 分別是放大器A1到A4的差動(dòng)增益，ACM(1-4) 分別是這四個(gè)放大器的共模增益,，AD5是放大器A5的差動(dòng)增益,，ACM5則是A5的共模增益。Δ是電路中電阻器R4的容限,。一個(gè)非常重要的參數(shù)是運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓,，對(duì)于A3和A4來(lái)說(shuō)尤其是這樣。A1和A2的失調(diào)電壓不會(huì)引起差錯(cuò),，因?yàn)樗鼈冎辉黾虞斎胄盘?hào)的直流分量,，而電容器C則將這些直流分量去掉。
由運(yùn)算放大器失調(diào)電壓引起的最大輸出電壓誤差為：
式中,，V10MAX為相應(yīng)運(yùn)算放大器的最大失調(diào)電壓,。在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，你應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：A3,、A4和A5應(yīng)為低失調(diào)電壓和高共模抑制比（CMRR）的運(yùn)放,，而A1和A2應(yīng)具有很高的開(kāi)環(huán)增益、共模抑制比（CMRR）和增益帶寬乘積,。圖2示出了一種實(shí)用的放大器電路,。電源是一塊3V鋰電池。你可以選用幾種運(yùn)算放大器,，如MCP607系列或OPA2336系列,。由于輸入共模電壓范圍的緣故，你要把信號(hào)地電位調(diào)到電源電壓的三分之一,。二極管D1能防止電路閉鎖,。R7-C4網(wǎng)絡(luò)在輸入端濾除射頻噪音。 你可以根據(jù)下述的考慮因素推導(dǎo)R7-C4網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：如果R7C4=(R1||R2||R3)C2~R2C2,，則放大器傳遞函數(shù)中的高頻零就會(huì)消去：
該電路具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
- 第一級(jí)確?？傇鲆妫瑥亩诘诙?jí)不采用高精度電阻器的情況下也可提供高共模抑制比（CMRR）,；
- 只要把確定低頻的RC網(wǎng)絡(luò)連接到兩個(gè)放大輸入信號(hào)的運(yùn)算放大器的反相輸入端,，該電路就不需要另外的輸入緩沖器,；
- 該電路利用具有普通參數(shù)值和容限的無(wú)源元件就可提供標(biāo)準(zhǔn)的一階高通特性；
- 采用3V電源,，差動(dòng)輸入信號(hào)范圍可高達(dá)2V,；
- 該電路消耗的電源電流和功率都很小，分別為120μA和0.4mW左右,。
圖2 這一高共模抑制比（CMRR）儀表放大器可在極低的電源電壓下工作,。