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1、仪表放大器电路设计与比较智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小（毫 伏甚至微伏量级），且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是 采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同 时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能 的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。下面从仪表放大器电路的结构、 原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的 特点，为学生进行电子电路实验提供一定的参考。1仪表放大器电路的构成及原理仪表放大器电路
2、的典型结构如图1 所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运 放 A1， A2 为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微 弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作 用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。这样 在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电 阻 R3 和 R4， RF 和 R5 的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有 更好的共模抑制能力。在R1=R2, R3=R4, Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G
3、=（1+2R1 /Rg）（Rf/R3）。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。图1 仪表放大器典型结构2仪表放大器电路设计1）仪表放大器电路实现方案目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。根据现有元器件，文中分别以单运放LM741和0P07，集成四 运放 LM324 和单片集成芯片 AD620 为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。方案1：由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围 电 路 ， 加 上 A1 ， A2 同 相 输 入 端 的 桥 式 信 号 输 入 电 路 ， 如 图 2
4、 所 示 。图2 由单运放组成的仪表放大器图2中的A1A3分别用LM741替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全 相同。方案2：由3个精密运放OP07组成，电路结构与原理和图2相同（用3个OP07分别代 替图 2 中的 A1A3）。方案3：以一个四运放集成电路LM324为核心实现，如图3所示。它的特点是将4个功 能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的 器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的 基本工作原理不变。方案4：由一个单片集成芯片A13620实现，如图4所示。它的特点是电路结构简单： 一个AD62
5、0, 个增益设置电阻Rg,外加工作电源就可以使电路工作，因此设计效率最高。 图 4 中电路增益计算公式为： G=494KRg+1。a8710图4 由AD620实现仪表放大器12 V6F12 V?A1J620V+ OUT KKK2)性能测试与分析实现仪表放大器电路的四种方案中，都采用4 个电阻组成电桥电路的形式，将双端差分 输入变为单端的信号源输入。性能测试主要是从信号源Vs的最大输入和Vs最小输入、电路 的最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。测试数据分别见表1和表2。 其中，Vs最大(小)输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大(小)输 入；最大增益是指在给定
6、测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑 制比由公式KCMRR=20|g | AVd/AVC|(dB)计算得出。说明：(1) f 为 Vs 输入信号的频率；(2) 表格中的电压测量数据全部以峰峰值表示；(3) 由于仿真器件原因，实验中用 Multisim 对方案 3 的仿真失效，表 1 中用“-”表示失 效数据；（4）表格中的方案14依次分别表示以LM741, 0P07, LM324和AD620为核心组成的仪表 放大器电路。由表1和表2可见,仿真性能明显优于实际测试性能。这是因为仿真电路的性能基本上 是由仿真器件的性能和电路的结构形式确定的,没有外界干扰因素,为理想条件下的测
7、试 而实际测试电路由于受环境干扰因素（如环境温度、空间电磁干扰等）、人为操作因素、实际 测试仪器精确度、准确度和量程范围等的限制,使测试条件不够理想,测量结果具有一定的 误差。在实际电路设计过程中,仿真与实际测试各有所长。一般先通过仿真测试,初步确定 电路的结构及器件参数,再通过实际电路测试,改进其具体性能指标及参数设置。这样,在 保证电路功能、性能的前提下,大大提高电路设计的效率。|惦真敷据测试冲韋V.叢小愉扎敦丸増盘K畑弟/-25 HzhG=4曲.畸=5 kqV, = 1O0 jiV,Rp=5 kn= 10 V沁115. 2 mV2pV20-fl 2 CH123 dR方来2Lk 4 mV和
8、nV2G? 26?TM dB肃览R2 riV方嗓41 = 5 knto v样1IS “lV3 mV1.6 E50J8 JB右策217 mV1 mV23 250117 dB方秦3J7 mV2 mVW 75099 dli亦案47 mVI mV14 25C110 dB由表2的实测数据可以看出：方案2在信号输入范围（即Vs的最大、最小输入）、电路 增益、共模抑制比等方面的性能表现为最优。在价格方面,它比方案1和方案3的成本高一 点,但比方案4便宜很多。因此,在四种方案中,方案2的性价比最高。方案4除最大增益 相对小点,其他性能仅次于方案2,具有电路简单,性能优越,节省设计空间等优点。成本 高是方案4的
9、最大缺点。方案1和方案3在性能上的差异不大,方案3略优于方案1,且它 们同时具有绝对的价格优势,但性能上不如方案2和方案4好。综合以上分析,方案2和方案4适用于对仪表放大器电路有较高性能要求的场合,方案2 性价比最高,方案 4 简单、高效,但成本高。方案1 和方案 3 适用于性能要求不高且需要 节约成本的场合。针对具体的电路设计要求,选取不同的方案,以达到最优的资源利用。电 路的设计方案确定以后,在具体的电路设计过程中,要注意以下几个方面：(1) 注意关键元器件的选取，比如对图2所示电路，要注意使运放Al, A2的特性尽可能 一致；选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻，以获得尽可能低的漂移；对R3, R4, R5 和 R6 的选择应尽可能匹配。(2) 要注意在电路中增加各种抗干扰措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信 号输入端增加RC低通滤波或在运放Al，A2的反馈回路增加高频消噪电容，在PCB设计中精 心布局合理布线，正确处理地线等，以提高电路的抗干扰能力，最大限度地发挥电路的性能。
