基本仪表放大器的电路图原理.PDFVIP

基本仪表放大器的电路图原理 仪表放大器电路以其高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点在传感器输出的小信号放大 领域得到了广泛的应用。在阐述仪表放大器电路结构、原理的基础上，基于不同电子元器件 设计了四种仪表放大器电路实现方案。通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较， 总结出各种电路方案的特点，为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。 0 引 言 智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚 至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用 仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪 表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优 劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。本文从仪表放大器电路的结构、原理 出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的特点， 为电路设计爱好者、学生进行电子电路实验提供一定的参考。 1 仪表放大器电路的构成及原理 仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放 A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱 输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用， 使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以 运放A3 为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR 要求不变情况下，可明显降低对电 阻R3 和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有 更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5 的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1 ／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg 阻值实现。 图1 仪表放大器典型结构 2 仪表放大器电路设计 2．1 仪表放大器电路实现方案 目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由 单片集成芯片直接实现。根据现有元器件，文中分别以单运放LM741 和OP07，集成四运放 LM324 和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。 方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电 路，加上A1，A2 同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。 图2 由单运放组成的仪表放大器 图2中的A1～A3分别用LM741 替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相 同。方案2 由3个精密运放OP07 组成，电路结构与原理和图2相同(用3 个OP07 分别代 替图2中的A1～A3)。 方案3 以一个四运放集成电路LM324 为核心实现，如图3所示。它的特点是将4个功能独 立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件 性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的基本 工作原理不变。方案4 由一个单片集成芯片A13620实现，如图4所示。它的特点是电路结 构简单：一个AD620，一个增益设置电阻Rg，外加工作电源就可以使电路工作，因此设计 效率最高。图4中电路增益计算公式为：G=49．4K／Rg+1。 图3 由LM324组成的仪表放大器 图4 由AD620实现仪表放大器 2．2 性能测试与分析 实现仪表放大器电路的四种方案中，都采用4个电阻组成电桥电路的形式，将双端差分输入 变为单端的信号源输入。性能测试主要是从信号源 Vs 的最大输入和Vs 最小输入、电路的 最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。测试数据分别见表1和表2。 其中，Vs 最大(小)输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大(小)输入； 最大增益是指在给定测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑制比 由公式KCMRR=20|g| AVd／AVC|(dB)计算得出。 说明： (1)f为Vs 输入信号的频率； (2)表格中的电压测量数据全部以峰峰值表示； (3)由于仿真器件原因，实验中用Multisim对方案3的仿真失效，表1中用“-”表示失效数据； (4)表格中的方案1～4依次分别表示以LM741，OP07，LM324 和AD620为核心组成的仪表 放大器电路。 由表1和表2可见，仿真性能明显优于实际测试性能。这是因为仿真电路的性能基本上