AMP04 – 化繁為簡的精密單供電儀表放大器

當有將類比電壓訊號放大的需求時，除了以一般的運算放大器（Operational amplifier）來設計放大電路之外，如果經費比較充裕，電路板空間有限，且要求較高精度的量測時，即可使用儀表放大器（Instrumentation amplifier）來設計。

大部分的儀表放大器皆可設定放大增益（Gain），常見的方式是以外部的電阻值來設定。一般來說，儀表放大器能將兩個輸入端的電壓做差分放大，從數學的角度來討論的話，就是將兩個輸入電壓相減（正端減負端）再乘以放大增益值。

基本上儀表放大器是由數顆運算放大器組成，提供非常大的共模抑制比（CMRR）以及輸入阻抗…等，其放大特性非常完美，且電路設計簡單，因此常用於精密量測。

這次介紹的是 ADI 的 AMP04 這顆儀表放大器。這顆儀表放大器的設計比較特別，其供電除了雙極供電外（bipolar/dual supply），也可單供電（single supply），配合零輸入／零輸出（zero-in/zero-out）的特性，用途非常廣。

AMP04 的製造商為 Analog Devices, Inc（ADI）。文章中多數圖文皆取自產品規格書或產品官網。

使用

AMP04 本來僅包含 8 隻腳位（如上的腳位圖），電壓訊號輸入端為 +IN 以及 -IN ，放大增益則由連接在 RGAIN 之間的電阻值來控制，訊號經放大後由 VOUT 輸出。 REF 為輸出訊號的類比準位端（COM 或 GND），連接一外部的固定電壓值至 REF 腳位，即可提升 VOUT 的訊號偏移（offset）。若是常見的 ±15 伏特雙供電的情況，REF 連接至地（ground）。單供電如 5 伏特／地，REF 則可連接至中間值 2.5 伏特。

增益的設計，則是由 100k 歐姆與外部電阻的比值決定。例如 10k 的外部電阻，可提供 100k/10k = 10 的增益。

電源供應端 V+ 與 V-，可使用上述的雙供電（例如 ±15 伏特），亦可單供電（如 5 伏特／地）。其它相關的細節則可參考產品規格書。

應用

上圖以一個放大增益為 100k/3k ~ 33.3 的放大電路做為示範。其中 C6 的電容（跨接至腳位 8 及 6 ）即為輸出訊號的濾波電容（可參見產品規格書），其截止頻率設定在約 160 Hz 。最後在輸出端（腳位 6 ）串聯一個 10  歐姆的電阻做為短路保護。由於 AMP04 內部已經加入輸入緩衝器（buffer），其輸入端的訊號（腳位 2 與 3 ）不需要太在乎輸入阻抗匹配的問題，直接將訊號拉進去即可。

本範例中提供 ±15 伏特的供應電壓，理論上輸入電壓值可到達 ±12 伏特，輸入阻抗高達 4G 歐姆。經差分放大後的輸出電壓範圍約可達到 ±13 伏特，輸出的偏移電壓（output offset voltage）約為 1 毫伏特。

心得

AMP04 小巧簡單易用，零輸入／零輸出（zero-in/zero-out）的特性以現在流行的單端供電非常好用。可惜並不是軌對軌（rail to rail），如果電源系統的來源是電池或小電壓（如 5 伏特以下），IC 的工作電壓會比較受到局限。因此本人多數時候皆是使用雙供電，以提高訊號品質。

另輸出電壓的偏移雖然可在 IC 的 REF 端調整，若用在輸出校正／歸零的時候不太實用，微調精度會受到局限。若能加入傳統 OP 所有的 Input offset nulling 的腳位就更好了。