測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)

1、測(cè)量放大器能夠?qū)⑽⑷醯碾娦盘?hào)進(jìn)行放大， 在生活中應(yīng)用也十分 廣泛，如在自動(dòng)控制領(lǐng)域，往往需要用電壓信號(hào)進(jìn)行控制，也就必然 離不開(kāi)電壓測(cè)量放大器，由于測(cè)量放大器應(yīng)用十分廣泛，因而現(xiàn)在已 經(jīng)有集成的測(cè)量放大器供使用了。本次設(shè)計(jì)就是圍繞測(cè)量放大器展開(kāi) 的，測(cè)量放大器主要是通過(guò)運(yùn)用集成運(yùn)放將所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行不失真 的放大，并且不對(duì)所測(cè)量的電路產(chǎn)生影響， 這就是需要放大器有較高 的輸入電阻和較高的共模抑制比。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)方法，掌握測(cè)量放大器的調(diào)試方法。二、實(shí)驗(yàn)要求在許多測(cè)試場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往很微弱，而且伴隨有很 大的共模電壓(包括干擾電壓)，一般對(duì)這種信號(hào)需要采用測(cè)量放大 器

2、。測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、 單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。 請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量放大 器：指標(biāo)要求：a. 當(dāng)輸入信號(hào)峰峰值uip-p=1mV時(shí)， 輸出電壓信號(hào)峰峰值 uop-p=1V。b. 輸入阻抗：Ri1MQc. 頻帶寬度：Af (-3dB) =1Hz1kHzd. 共模抑制比：CMRR 70dB三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、前端后端放大電路設(shè)計(jì)與論證測(cè)量放大器部分(1)低噪聲前端放大電路的設(shè)計(jì) 最初方案如圖 1。本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 輸入阻抗較高，放大倍數(shù)可調(diào)，但是共模抑制比較小。實(shí)測(cè)只達(dá)到 104,所以我們放棄本方案，選擇了第二個(gè)方案，如圖2。此電路的優(yōu)點(diǎn)在于輸入電壓接

3、在兩個(gè)運(yùn)放的同相端，輸入阻抗高，共模抑制比大，可滿足要求。其中，直流信號(hào)的共模抑制比實(shí)測(cè)可達(dá)2.5X106,交流信號(hào)的共模抑制比可達(dá) 2X105。由電路的對(duì)稱性可知共模信號(hào) 被有效地抑制，而差模信號(hào)放大了 10 倍，從而提高了共模抑制比。 另外，溫度在兩個(gè)輸入端引起的漂移是共模信號(hào)，對(duì)輸出電壓影響很小，無(wú)需另加補(bǔ)償。圖 2 低噪聲前置放大電路的設(shè)計(jì)(2) 程控增益放大部分：為了改變放大器的增益，一般有兩條途 徑：一是改變反相端的輸入電阻阻值，二是改變負(fù)反饋電阻阻值。最 終我們選擇在負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)上添加滑動(dòng)變阻器來(lái)改變負(fù)反饋電阻阻值， 從而改變放大器的增益。最終我們?cè)诳紤]方案二的基礎(chǔ)上，并結(jié)合一些集

4、成運(yùn)放器的 選擇，我們前端放大器我們采取如下方案：該電路實(shí)現(xiàn)|50|的放大增益同理集成運(yùn)放的放大特性，可推出后端放大電路，其實(shí)現(xiàn)|20|倍的放大增益R14這樣便可以實(shí)現(xiàn) 20*50=1000 的放大增益2、總體電路圖VCC15V3、主要電路的參數(shù)計(jì)算(1)、放大倍數(shù) 1000 倍；第一級(jí)差模放大倍數(shù) Av1 計(jì)算如下:V02-V01=( 1+2F2/R1)(Vi(+)-Vi(-)=(1+200/50)(Vi(+)-Vi(-)=(1+200/50)(Vi(+)-Vi(-)即差模增益 Av仁5第二級(jí)差模放大倍數(shù) Av2 計(jì)算如下:Av2=-R6/R4=-1015VR14U5AR4V10.5mVpk

5、l-(U00 Hz -_ 0?0?TL084MJC51nFR2100k| ?VEE11-15VU2AR8R9U3A3f-TL084MJ4斗VCC.95k| ?10k| ? TL0J,11100nFTL084MJR3100k| ?R5云？-15VR16-15VVEEVCC15VTL084MJVCCR791k| ?C210nFR1043M?R114.3M|?R15VEE3VCC15V4VEE100k| ?Key=A 50%-15VR13U4AC310k| ?C41VEEU1AC110nF10|?Key=A 50%此級(jí)放大倍數(shù) Av2=-10所以前端放大倍數(shù) Av=AvlxAv2=-50同理可推出后

6、端放大倍數(shù)第三級(jí)差模放大倍數(shù) Av3 計(jì)算如下：Av3=1+R15/R12=4第 4 級(jí)差模放大倍數(shù) Av4 計(jì)算如下：Av4=1+R14/R13=5;其中 R14 調(diào)為 40k（2）、頻帶寬度：第二級(jí)與第三級(jí)間加入二階低通濾波器，根 2*pi*fH=0.37/RC,其中 fH=1kHz,可取值算出 R、C第三級(jí)與第四級(jí)加入二階高通濾波器，對(duì)于二階高通濾波器，由于其參數(shù)很難設(shè)定，我們可以先固定 C=10OnF 然后根據(jù)一階高 通濾波器的通帶截止頻率公式 w。=1/RC,大概得出 R 的值，再在這 個(gè)值的基礎(chǔ)上，不斷改變 R 的值，并觀察波特圖儀，當(dāng)波特圖儀的 下限達(dá)到 1Hz 時(shí)，即達(dá)到設(shè)定要

7、求，這部分很難操作，必須要有足 夠耐心，最后得出 R=4.3M 根據(jù)低通的 Wp=0.37/RC,我們可以近似 推出高通的頻帶公式為 Wp=1/（0.37RC）.（3）、共模抑制比共模抑制比主要由前端放大電路（第一第二級(jí)）的設(shè)計(jì)來(lái)決定。在實(shí)際測(cè)量中，我們可以分別測(cè)量直流與交流情況下的共模抑制 比，方法：在輸入兩端先輸入若干差模信號(hào)，記下差模放大倍數(shù)，再 輸入若干共模信號(hào)，記下共模放大倍數(shù)，然后任取兩值，即可算出共 模抑制比。在直流信號(hào)的共模抑制比實(shí)測(cè)可達(dá)2.5X106,交流信號(hào)的共模抑制比可達(dá) 2X105,從而達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由電路的對(duì)稱性 可知共模信號(hào)被有效地抑制，而差模信號(hào)放大了10 倍，

8、從而提高了共模抑制比。另外，溫度在兩個(gè)輸入端引起的漂移是共模信號(hào)，對(duì)輸 出電壓影響很小，無(wú)需另加補(bǔ)償。(4)、輸入阻抗輸入阻抗并不需要實(shí)際去測(cè)量，實(shí)際運(yùn)用中，我們都采用同相輸入，有利于提高輸入阻抗，再加之 TL084 具有高輸入阻抗，因此輸入阻抗 趨于無(wú)窮，肯定滿足設(shè)計(jì)要求。四、放大器性能測(cè)試放大器性能測(cè)試：輸入信號(hào)加入 0.1mv, 100Hz 的交流電源，示波器置雙通道觀察 測(cè)量放大器的輸入輸出波形。對(duì)于測(cè)量放大器放大倍數(shù)的測(cè)量，讀出示波器雙通道顯示的輸入輸出 信號(hào)波形的峰峰值，求出實(shí)際電壓放大倍數(shù)，然后與設(shè)置的電壓放大 倍數(shù)比較。測(cè)量放大器的頻率響應(yīng)測(cè)試：在放大器的輸出端加入波特圖儀，通過(guò)觀察波特圖的幅度圖可以 得出放大器的同頻帶。仿真圖如下：由圖我們可以看出放大器的放大倍數(shù)近似為100 倍，頻帶寬度近似為 1Hz1KHz.Osci