模擬工程—電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊：運(yùn)算放大器②

兩級運(yùn)算放大器儀表放大器電路

設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

此設(shè)計(jì)將放大 V_i1 和 V_i2 之間的差異并輸出單端信號，同時(shí)抑制共模電壓。儀表放大器能否以線性模式運(yùn)行取決于其主要構(gòu)建塊（即運(yùn)算放大器）能否以線性模式運(yùn)行。當(dāng)輸入和輸出信號分別處于器件的輸入共模和輸出擺幅范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)算放大器以線性模式運(yùn)行。這些范圍取決于用于為運(yùn)算放大器供電的電源電壓。

設(shè)計(jì)說明

1. R_g 設(shè)置電路的增益。

2. 高電阻值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中產(chǎn)生額外的噪聲。

3. R₄ 和 R₃ 的比率可設(shè)置在刪除 R_g 后的最小增益。

4. R₂ /R₁ 和 R₄ /R₃ 的比率必須一致，以避免降低儀表放大器的直流 CMRR 并確保 V_ref 增益為 1V/V。

5. 能否以線性模式運(yùn)行取決于所使用的分立式運(yùn)算放大器的輸入共模和輸出擺幅范圍。線性輸出擺幅范圍 在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中 A_OL 測試條件下指定。

設(shè)計(jì)步驟

1.此電路的傳遞函數(shù)。

V_o = V_iDff * G + V_ref = （V_i2 - V_i1） * G + V_ref 

when V_ref = 0 the transfer function simplifies to the following equaction:

V_o = (V_i2 - V_i1) *G

where G is the gain of the instrumentation amplifier and G = 1 + 

2. 選擇 R₄ 和 R₃ 以設(shè)置最小增益。

G_min = 1 + 

Choose R₄ = 20 kΩ

G_min = 1 + 

R₃ =  = 5 kΩ → R₃ = 5.1 kΩ （Standard Value)

3. 選擇 R₁ 和 R₂。

確保 R₁ /R₂ 和 R₃ /R₄ 的比率一致，以將應(yīng)用于基準(zhǔn)電壓的增益設(shè)置為 1V/V。

R₁ = R₃ = 5.1 kΩ & R₂ = R₄ = 20 kΩ（標(biāo)準(zhǔn)值）

4. 選擇 R_g 以實(shí)現(xiàn)所需的最大增益 G = 10 V/V。

G = 1 +  = 1 +  = 10 V/V

R_g = 8 kΩ → R_g = 7.87 kΩ（標(biāo)準(zhǔn)值）

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器

三級運(yùn)算放大器儀表放大器電路

設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

此設(shè)計(jì)使用 3 個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建分立式儀表放大器。電路將差動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。儀表放大器能否以線性模式運(yùn)行取決于其構(gòu)建塊（即運(yùn)算放大器）能否以線性模式運(yùn)行。當(dāng)輸入和輸出信號分別處于器件的輸入共模和輸出擺幅范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)算放大器以線性模式運(yùn)行。這些范圍取決于用于為運(yùn)算放大器供電的電源電壓。

設(shè)計(jì)說明

1. 使用精密電阻器實(shí)現(xiàn)高直流 CMRR 性能

2. R₁₀ 設(shè)置電路的增益。

3. 向輸出級添加隔離電阻器以驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載。

4. 高電阻值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中產(chǎn)生額外的噪聲。

5. 能否以線性模式運(yùn)行取決于所使用的分立式運(yùn)算放大器的輸入共模和輸出擺幅范圍。線性輸出擺幅范圍在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中 A_OL 測試條件下指定。

設(shè)計(jì)步驟

1. 此電路的傳遞函數(shù)：

2. 選擇反饋環(huán)路電阻器 R₅ 和 R₆：

Choose R5 = R6 = 10kΩ （Standard Value）

3. 選擇 R₁、R₂、R₃ 和 R₄。要將 V_ref 增益設(shè)置為 1V/V 并避免降低儀表放大器的 CMRR，R₄/R₃ 和 R₂/R₁的比值必須相等。

Choose R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10Ω（Standard Value)

4. 計(jì)算 R₁₀ 以實(shí)現(xiàn)所需的增益：

G = （Standard Value）

R₄ = R₃ = 10kΩ

（1）

5. 要檢查共模電壓范圍，請從參考文獻(xiàn) [5] 中下載并安裝程序。通過為內(nèi)部放大器具有所選放大器（在本例 中為 TLV172）所定義的共模范圍、輸出擺幅和電源電壓范圍的三級運(yùn)算放大器 INA 添加代碼，對安裝 目錄中的 INA_Data.txt 文件進(jìn)行編輯。此設(shè)計(jì)中沒有 V_be 變化，并且輸出級差動(dòng)放大器的增益為 1V/V。 默認(rèn)電源電壓和基準(zhǔn)電壓分別為 ±15V 和 0V。運(yùn)行程序并相應(yīng)地設(shè)置增益和基準(zhǔn)電壓。結(jié)果 V_CM 與V_OUT圖近似于分立式 INA 的線性運(yùn)行區(qū)域。

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器