本文介绍了具有两个运算放大器（OP AMPS）的仪表放大器VOUT绘图，并提供了对该放大器拓扑的彻底处理。另外，由于仪表放大器的共模电压的函数，导出并用于绘制每个内部放大器的输入共模和输出摆动限制的内部节点方程。最后，介绍了一种模拟VCM与VOUT图的软件工具。
Peter Semig，模拟应用工程师，Texas Instruments，Inc。
最常见的问题是TI E2E™社区（德州德州仪器的在线支持社区）用于仪表放大器涉及解释共模电压与输出电压（VCM与VOUT）的数据表图。误解或误解此绘图结果在论坛帖子中描述了扭曲的输出波形，错误的设备增益或“卡住”输出。验证设备在VCM与Vout Plot的限制范围内运行，始终是我在响应应用程序问题时检查的第一件事。
VCM与VOUT图
仪表放大器的所有内部放大器的输入共模和输出 - 摆幅限制在VCM与VOUT图中表示。
两个运算放大器仪表放大器的典型VCM与VOUT图如图1所示。绘图的内部定义了仪表放大器的线性操作区域，因为图中的每行对应于输入或输出限制两个内部放大器中的一个。VCM与VOUT图是针对特定电源电压，参考电压和增益指定的，如图1所示。
在VCM与VOUT图的边界之外运行，导致设备以非线性模式操作，如图2所示。
一个三部分系列文章和博客文章讨论了普遍存在的三个OP-AMP仪表放大器的VCM与VOUT图。[1,2]双运算放大器仪表放大器由于它们的低成本和比较大而流行VCM与Vout Plot。
一种双运放仪表放大器的分析
图3描绘了一个连接到输入信号的典型的双运放仪表放大器。这种拓扑具有高输入阻抗，只需要一个电阻RG来设置增益，这与三运放拓扑相同。
图3还描绘了共模（VCM）和差分模式（VD）电压的定义。差分放大器（例如，运算放大器，差别放大器，仪表放大器）理想地拒绝共模电压VCM。
然而，从V+IN和V - IN到输出的信号通路不平衡降低了设备的共模抑制比(CMRR)，特别是在频率上(图4)。CMRR的这种降低是两运放仪表放大器通常比三运放成本更低的主要原因之一。
通过等式1给出了图3中电路的传递函数1.注意到公共模式电压不会出现在等式中，因为理想情况下它被仪表放大器拒绝。
导出此拓扑辅助工具的传递函数在理解VCM与VOUT图中。
图5描述了图3中原理图的更传统的示意图。为了确定参考电压在输出端的贡献，VO(VREF)，通过将输入源短路到地施加叠加。
放大器A2基于RFA2和RR的比值对VREF施加反相增益。同样，A1根据RFA1与ROA2的比值对A2的输出电压施加反相增益。方程2描述了VREF的传递函数。
应用于仪表放大器参考电压的增益应为1 V / v。为了满足此要求，将RFA1 = RR和RFA2 = ROA2 = RF。图6描绘了更新的双运算放大器拓扑，导致参考电压的Unity增益。此外，内部节点标记为未来的分析。
尽管只有两个放大器和五个电阻，但图6中的电路有六个增益。这是因为每个放大器将增益应用于三个输入信号。虽然A2可能很明显，A2适用于V-IN和VREF，但A2也通过A1和RG的输入通过虚拟短路应用GAIN v +。同样，A1将增益应用于VOA2，V +和V-IN。等式3到8描绘了与双运算放大器仪表放大器相关的六个增益术语
等式9和10描绘了放大器A1和A2的输出电压。
在等式9中替代用于VOA2的等式10，简化产量等式11。
等式11中的增益术语之间的关系在等式12中示出。
最后，根据式11和式12，两运放仪表放大器的传递函数如式13所示，与式1一致。
运算放大器限制
仪表放大器的线性操作取决于其主要构建块的线性操作;运算放大器。当输入和输出信号分别在设备的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器分别线性操作。用于为运算放大器（V +和V-）供电的电源电压定义了这些范围（图7）。
图8中示出了一个实际的共模和输出摆幅限制的示例。请注意，共模范围和输出摆动范围不一定是相同的。
双运算放大器节点方程
通过了解双相-AMP仪表放大器和OP-AMP限制的稳定性，下一步是检查节点方程，如图6所示.VOA2和VOA1的方程分别由等式10和13给出。图6的VIA1和VIA2的方程式如下：
VCM与VOUT图可以基于增益和参考电压而变化。因此，作为增益术语，VCM和VREF的函数，必须求解等式10和13至15。允许这一点的一个重要关系是通过求解VD的公式13而获得的，如等式16所示。
在制造所有适当的替换和求解VO之后，等式17至20在其输出时捕获两种OP-AMP仪表放大器的线性操作区域，作为增益术语，VCM，VREF和共模的函数每个放大器的输出限制（VIA1，VIA2，VOA1，VOA2）。
为了在线性区域内工作，在VIA1处的电压必须不违反A1的输入共模范围。同样，节点VOA1处的电压不能违反A1的输出摆幅限制。对于运放A2，这同样适用于VIA2和VOA2。在仪表放大器的数据表中，通常不明确说明内部运放限制的值。代替这些信息，可以结合检查设备的局限性和测量线性操作区域来确定值。
为了将输入共模范围更接近负电源电压，一些仪表放大器（例如，Ina122）使用精密晶体管缓冲器进行输入。[1]在用单个电源操作时，这特别有用。
图9描述了一个TINA-TI™模拟，绘制了方程17到方程20的最大和最小共模和INA122内部放大器的输出摆幅限制。线性运算区域是所有直线的内部。
开发了一种软件工具，以简化VOUT图的创建，以实现不同的收益，参考电压和电源电压。有关下载链接，请参阅相关网站本文的末尾。图10描绘了ina122给定标准数据表条件的VCM与VOUT图。请注意，它与图1和图9相吻合良好。然而，图1中的数据表绘图仅描绘了A1和A2的输出限制，而软件工具包括共模限制。最后，请注意，可以下载软件工具以为两个和三个OP-AMP仪表放大器生成VCM与VOUT图。
本文讨论了最容易被误解的双运放仪表放大器概念:VCM与VOUT数据表图。详细分析了双运放的拓扑结构，推导了内部节点方程。这些方程用于创建VCM和VOUT图。从可下载的软件工具的输出被发现与INA122数据表中的图很好地相关。该工具为设计人员在设计中保证仪表放大器的线性运行提供了一种简单的方法。
致谢
作者要感谢德克萨斯仪器公司的Art Kay开发了VCM vs. VOUT软件工具，并感谢colin Wells对本文的技术贡献。
Referencez
- Peter Semig和Collin Wells，“仪表放大器VCM Vout Plots”第1部分，第2部分和第3部分，EDN网络，2014年12月
- Peter Semig，“仪表放大器VCM VCM VOUT PLOTS如何随供应和参考电压而改变，”TI Precision Hub，2015年1月30日。
帖子VCM VOUT图表有两个运算放大器的仪表放大器首先出现了模拟IC提示。
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