儀表放大器電路設計

摘要：儀表放大器電路以其高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特點在傳感器輸出的小信號放大領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在闡述儀表放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎上，基于不同電子元器件設計了四種儀表放大器電路實現(xiàn)方案。通過仿真與實際電路性能指標的測試、分析、比較，總結(jié)出各種電路方案的特點，為電路設計初學者提供一定的參考借鑒。
關(guān)鍵詞：儀表放大器；電路設計；共模抑制比；小信號放大

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；同時儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號越小越好，動態(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)，設計出四種儀表放大器電路實現(xiàn)方案，通過分析、比較，給出每一種電路方案的特點，為電路設計愛好者、學生進行電子電路實驗提供一定的參考。

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阻值實現(xiàn)。

2 儀表放大器電路設計
2．1 儀表放大器電路實現(xiàn)方案
目前，儀表放大器電路的實現(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現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有元器件，文中分別以單運放LM741和OP07，集成四運放LM324和單片集成芯片AD620為核心，設計出四種儀表放大器電路方案。
方案1 由3個通用型運放LM741組成三運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 以一個四運放集成電路LM324為核心實現(xiàn)，如圖3所示。它的特點是將4個功能獨立的運放集成在同一個集成芯片里，這樣可以大大減少各運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A13620實現(xiàn)，如圖4所示。它的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單：一個AD620，一個增益設置電阻Rg，外加工作電源就可以使電路工作，因此設計效率最高。圖4中電路增益計算公式為：G=49．4K／Rg+1。