儀表放大器電路原理、構(gòu)成及電路設(shè)計(jì)

一、概述：

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號放大、高速信號調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸出和相對參考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的 2 個差分輸入端施加輸入信號，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻預(yù)置。

二、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，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，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變 Rg阻值實(shí)現(xiàn)。

三、儀表放大器電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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，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OP07分別代替圖2中的A1～A3)。

方案3 以一個四運(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個功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個集成芯片里，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 由一個單片集成芯片AD620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AD620，一個增益設(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。 實(shí)現(xiàn)儀表放大器電路的四種方案中，都采用4個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 | AVd/AVC|(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1～4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，且它們同時具有絕對的價格優(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，要注意以下幾個方面：