儀表放大器電路設(shè)計(jì)

1、儀表放大器電路設(shè)計(jì)技術(shù)分類： 模擬設(shè)計(jì)  現(xiàn)代電子技術(shù) 西安郵電學(xué)院 崔利平0 引 言智能儀表儀器通過傳感器輸入的信號，一般都具有“小”信號的特征：信號幅度很小(毫伏甚至微伏量級)，且常常伴隨有較大的噪聲。對于這樣的信號，電路處理的第一步通常是采用儀表放大器先將小信號放大。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的輸入信號范圍。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)愛好者、學(xué)

2、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，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(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單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，

3、Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=(1+2R1Rg)(RfR3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。2 儀表放大器電路設(shè)計(jì)21 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輸入電路，如圖2所示。圖2中的A1A3分別用LM741替換即可。

4、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A1A3)。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

5、=494KRg+1。22 性能測試與分析實(shí)現(xiàn)儀表放大器電路的四種方案中，都采用4個(gè)電阻組成電橋電路的形式，將雙端差分輸入變?yōu)閱味说男盘栐摧斎?。性能測試主要是從信號源Vs的最大輸入和Vs最小輸入、電路的最大增益及共模抑制比幾方面進(jìn)行仿真和實(shí)際電路性能測試。測試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。其中，Vs最大(小)輸入是指在給定測試條件下，使電路輸出不失真時(shí)的信號源最大(小)輸入；最大增益是指在給定測試條件下，使輸出不失真時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的電路最大增益值。共模抑制比由公式KCMRR=20|g | AVdAVC|(dB)計(jì)算得出。說明：(1)f為Vs輸入信號的頻率；(2)表格中的電壓測量數(shù)據(jù)全部以峰峰值表示；(3)由

6、于仿真器件原因，實(shí)驗(yàn)中用Multisim對方案3的仿真失效，表1中用“-”表示失效數(shù)據(jù)；(4)表格中的方案14依次分別表示以LM741，OP07，LM324和AD620為核心組成的儀表放大器電路。由表1和表2可見，仿真性能明顯優(yōu)于實(shí)際測試性能。這是因?yàn)榉抡骐娐返男阅芑旧鲜怯煞抡嫫骷男阅芎碗娐返慕Y(jié)構(gòu)形式確定的，沒有外界干擾因素，為理想條件下的測試；而實(shí)際測試電路由于受環(huán)境干擾因素(如環(huán)境溫度、空間電磁干擾等)、人為操作因素、實(shí)際測試儀器精確度、準(zhǔn)確度和量程范圍等的限制，使測試條件不夠理想，測量結(jié)果具有一定的誤差。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中，仿真與實(shí)際測試各有所長。一般先通過仿真測試，初步確定電路的

7、結(jié)構(gòu)及器件參數(shù)，再通過實(shí)際電路測試，改進(jìn)其具體性能指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置。這樣，在保證電路功能、性能的前提下，大大提高電路設(shè)計(jì)的效率。由表2的實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出：方案2在信號輸入范圍(即Vs的最大、最小輸入)、電路增益、共模抑制比等方面的性能表現(xiàn)為最優(yōu)。在價(jià)格方面，它比方案1和方案3的成本高一點(diǎn)，但比方案4便宜很多。因此，在四種方案中，方案2的性價(jià)比最高。方案4除最大增益相對小點(diǎn)，其他性能僅次于方案2，具有電路簡單，性能優(yōu)越，節(jié)省設(shè)計(jì)空間等優(yōu)點(diǎn)。成本高是方案4的最大缺點(diǎn)。方案1和方案3在性能上的差異不大，方案3略優(yōu)于方案1，且它們同時(shí)具有絕對的價(jià)格優(yōu)勢，但性能上不如方案2和方案4好。綜合以上分析，方案2

8、和方案4適用于對儀表放大器電路有較高性能要求的場合，方案2性價(jià)比最高，方案4簡單、高效，但成本高。方案1和方案3適用于性能要求不高且需要節(jié)約成本的場合。針對具體的電路設(shè)計(jì)要求，選取不同的方案，以達(dá)到最優(yōu)的資源利用。電路的設(shè)計(jì)方案確定以后，在具體的電路設(shè)計(jì)過程中，要注意以下幾個(gè)方面：(1)注意關(guān)鍵元器件的選取，比如對圖2所示電路，要注意使運(yùn)放A1，A2的特性盡可能一致；選用電阻時(shí)，應(yīng)該使用低溫度系數(shù)的電阻，以獲得盡可能低的漂移；對R3，R4，R5和R6的選擇應(yīng)盡可能匹配。(2)要注意在電路中增加各種抗干擾措施，比如在電源的引入端增加電源退耦電容，在信號輸入端增加RC低通濾波或在運(yùn)放A1，A2的反饋回路增加高頻消噪電容，在PCB設(shè)計(jì)中精心布