儀表放大器電路設(shè)計(jì)

摘要：儀表放大器電路以其高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特點(diǎn)在傳感器輸出的小信號(hào)放大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在闡述儀表放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上，基于不同電子元器件設(shè)計(jì)了四種儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)仿真與實(shí)際電路性能指標(biāo)的測(cè)試、分析、比較，總結(jié)出各種電路方案的特點(diǎn)，為電路設(shè)計(jì)初學(xué)者提供一定的參考借鑒。
關(guān)鍵詞：儀表放大器；電路設(shè)計(jì)；共模抑制比；小信號(hào)放大

0 引 言
智能儀表儀器通過(guò)傳感器輸入的信號(hào)，一般都具有“小”信號(hào)的特征：信號(hào)幅度很小(毫伏甚至微伏量級(jí))，且常常伴隨有較大的噪聲。對(duì)于這樣的信號(hào)，電路處理的第一步通常是采用儀表放大器先將小信號(hào)放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高電路的信噪比；同時(shí)儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號(hào)越小越好，動(dòng)態(tài)范圍越寬越好。儀表放大器電路性能的優(yōu)劣直接影響到智能儀表儀器能夠檢測(cè)的輸入信號(hào)范圍。本文從儀表放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā)，設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)分析、比較，給出每一種電路方案的特點(diǎn)，為電路設(shè)計(jì)愛(ài)好者、學(xué)生進(jìn)行電子電路實(shí)驗(yàn)提供一定的參考。

1 儀表放大器電路的構(gòu)成及原理
儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可見(jiàn)，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。

2 儀表放大器電路設(shè)計(jì)
2．1 儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案
目前，儀表放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：第一類由分立元件組合而成；另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有元器件，文中分別以單運(yùn)放LM741和OP07，集成四運(yùn)放LM324和單片集成芯片AD620為核心，設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路方案。
方案1 由3個(gè)通用型運(yùn)放LM741組成三運(yùn)放儀表放大器電路形式，輔以相關(guān)的電阻外圍電路，加上A1，A2同相輸入端的橋式信號(hào)輸入電路，如圖2所示。

圖2中的A1～A3分別用LM741替換即可。電路的工作原理與典型儀表放大器電路完全相同。方案2 由3個(gè)精密運(yùn)放OP07組成，電路結(jié)構(gòu)與原理和圖2相同(用3個(gè)OP07分別代替圖2中的A1～A3)。
方案3 以一個(gè)四運(yùn)放集成電路LM324為核心實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。它的特點(diǎn)是將4個(gè)功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個(gè)集成芯片里，這樣可以大大減少各運(yùn)放由于制造工藝不同帶來(lái)的器件性能差異；采用統(tǒng)一的電源，有利于電源噪聲的降低和電路性能指標(biāo)的提高，且電路的基本工作原理不變。方案4 由一個(gè)單片集成芯片A13620實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。它的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：一個(gè)AD620，一個(gè)增益設(shè)置電阻Rg，外加工作電源就可以使電路工作，因此設(shè)計(jì)效率最高。圖4中電路增益計(jì)算公式為：G=49．4K／Rg+1。