ほとんどすべてのタイプのセンサーとトランスデューサーは、光、温度、重量などの実世界のパラメーターを、電子システムが理解できるように電圧値に変換します。この電圧レベルの変動は、実世界のパラメータの分析/測定に役立ちますが、生物医学センサーなどの一部のアプリケーションでは、この変動は非常に小さく（低レベルの信号）、わずかな変動でも追跡することが非常に重要です。信頼できるデータを取得します。これらのアプリケーションでは、計装アンプが使用されます。
名前が示すように、計装アンプ、別名INOまたはインアンプは、電圧の変動を増幅し、他のオペアンプと同様に差動出力を提供します。しかし、通常のアンプとは異なり、計装アンプは、完全に差動の入力でコモンモードノイズ除去を提供しながら、良好なゲインで高い入力インピーダンスを持ちます。今すぐ入手しなくても大丈夫です。この記事では、これらの計装アンプについて学習します。これらのICはオペアンプよりも比較的高価であるため、LM385やLM324などの通常のオペアンプを使用して計装アンプとそれを私たちのアプリケーションに使用します。オペアンプは、電圧加算器と電圧減算器回路の構築にも使用できます。
計装アンプICとは？
通常のオペアンプICとは別に、INA114ICのような計装アンプ用の特別なタイプのアンプがいくつかあります。これは、特定の特定のアプリケーション向けに組み合わされた通常のオペアンプの数にすぎません。これについてさらに理解するために、内部回路図についてINA114のデータシートを調べてみましょう。
あなたはICがV電圧2つの信号を取り込んで見ることができるように、IN -とV 、IN +を、のは、理解を容易にするために、今からV1とV2としてそれらを考えてみましょう。出力電圧（V O）は、次の式を使用して計算できます。
V O = G（V2 – V1）
ここで、Gはオペアンプのゲインであり、外部抵抗R Gを使用して設定し、次の式を使用して計算できます。
G = 1+（50kΩ / RG）
注： 値50kオームは、25k（25 + 25 = 50）の抵抗を使用するため、INA114ICにのみ適用されます。他の回路の値をそれぞれ計算できます。
つまり、基本的に今、それを見ると、インアンプは2つの電圧源間の差に、外部抵抗で設定できるゲインを提供するだけです。これはおなじみですか？そうでない場合は、差動アンプの設計を見て、戻ってきてください。
はい、これはまさに差動アンプが行うことです。よく見ると、上の画像のオペアンプA3は差動アンプ回路に他ならないことがわかります。したがって、素人の言葉で言えば、計装アンプはさらに別の種類の差動アンプですが、高い入力インピーダンスや簡単なゲイン制御などのより多くの利点があります。これらの利点は、設計の他の2つのオペアンプ（A2とA1）によるものです。これについては、次の見出しで詳しく説明します。
計装アンプを理解する
計装アンプを完全に理解するために、上の画像を下に示すような意味のあるブロックに分解してみましょう。
ご覧のとおり、インアンプは2つのバッファオペアンプ回路と1つの差動オペアンプ回路の組み合わせにすぎません。これら両方のオペアンプの設計について個別に学習しました。次に、これらを組み合わせて差動オペアンプを形成する方法を説明します。
差動アンプと計装アンプの違い
前回の記事で、差動アンプの設計と使用方法をすでに学びました。差動アンプの大きな欠点は、入力抵抗のために入力インピーダンスが非常に低く、コモンモードゲインが高いためにCMRRが非常に低いことです。これらは、バッファ回路のために計装アンプで克服されます。
また、差動アンプでは、アンプのゲイン値を変更するために多くの抵抗を変更する必要がありますが、差動アンプでは、1つの抵抗値を調整するだけでゲインを制御できます。
オペアンプを使用した計装アンプ（LM358）
それでは、オペアンプを使用して実用的な計装アンプを構築し、それがどのように機能するかを確認しましょう。オペアンプ計装アンプ回路私が使用していることは以下のとおりです。
この回路には、3つのオペアンプがすべて一緒に必要です。私は2つのLM358ICを使用しました。LM358はデュアルパッケージオペアンプです。つまり、1つのパッケージに2つのオペアンプがあるため、回路に2つ必要です。同様に、3つのシングルパッケージLM741オペアンプまたは1つのクアッドパッケージLM324オペアンプを使用することもできます。
上記の回路では、オペアンプU1：AとU1：Bは電圧バッファーとして機能し、高い入力インピーダンスを実現するのに役立ちます。オペアンプU2：Aは差動オペアンプとして機能します。差動オペアンプのすべての抵抗は10kであるため、ユニティゲイン差動アンプとして機能します。つまり、出力電圧はU2：Aのピン3とピン2の間の電圧の差になります。
計装アンプ回路の出力電圧は、以下の式で算出できます。
Vout =（V2-V1）（1+（2R / Rg））
ここで、R =回路の抵抗値。ここで、R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7、つまり10kです。
Rg =ゲイン抵抗。ここで、Rg = R1は22kです。
したがって、RとRgの値がアンプのゲインを決定します。ゲインの値は次のように計算できます
ゲイン=（1+（2R / Rg））
計装アンプのシミュレーション
上記の回路をシミュレートすると、次の結果が得られます。
ご覧のとおり、入力電圧V1は2.8V、V2は3.3Vです。Rの値は10kで、Rgの値は22kです。これらすべての値を上記の式に入れる
Vout =（V2-V1）（1+（2R / Rg）） =（3.3-2.8）（1+（2x10 / 22）） =（0.5）*（1.9） = 0.95V
上記のシミュレーションと一致する0.95Vの出力電圧の値が得られます。したがって、上記の回路のゲインは1.9で、電圧差は0.5Vです。したがって、この回路は基本的に入力電圧間の差を測定し、それをゲインで乗算して出力電圧として生成します。
また、入力電圧V1とV2が抵抗Rgの両端に現れることにも気付くでしょう。これは、オペアンプU1：AとU1：Bの負帰還によるものです。これにより、Rgの両端の電圧降下がV1とV2の間の電圧差に等しくなり、抵抗R5とR6に等しい量の電流が流れ、オペアンプU2：Aのピン3とピン2の電圧が等しくなります。抵抗の前の電圧を測定すると、上記のシミュレーションで示したように、その差が出力電圧に等しいオペアンプU1：AとU1：Bからの実際の出力電圧を確認できます。
ハードウェアでの計装アンプ回路のテスト
十分な理論により、実際にブレッドボード上に同じ回路を構築し、電圧レベルを測定できます。私の接続設定を以下に示します。
以前に作成したブレッドボード電源を使用しました。このボードは5Vと3.3Vの両方を供給できます。 5Vレールを使用して両方のオペアンプに電力を供給し、3.3Vを信号入力電圧V2として使用しています。もう一方の入力電圧V2は、私のRPSを使用して2.8Vに設定されています。 Rには10kの抵抗、R1には22kの抵抗も使用しているので、回路のゲインは1.9になります。差電圧は0.5V、ゲインは1.9の積であり、マルチメータを使用して測定および画像に表示される出力電圧として0.95Vが得られます。計装アンプ回路の完全な動作は、以下にリンクされているビデオに示されています。
同様に、R1の値を変更して、上記の式を使用して必要に応じてゲインを設定できます。このアンプのゲインは単一の抵抗を使用して非常に簡単に制御できるため、オーディオ回路のボリューム制御でよく使用されます。
あなたが回路を理解し、何か役に立つことを学ぶのを楽しんだことを願っています。ご不明な点がございましたら、下のコメントセクションに残すか、フォーラムを使用して迅速に対応してください。