仪用放大器的设计和应用

发表于 2012-3-24 10:29

一、仪用放大器的介绍：
仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是，它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。而噪声通常都是公共模噪声，所以在电路设计要求上，电路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度，在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。例：

在这些应用中，信号源的输出阻抗常常达几kΩ或更大，因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在DC到约1 MHz之间。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。
二、仪用放大器的基本电路：
大多数仪用放大器采用3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。如下图：

三运放方案是仪表放大器采用的惟一结构吗？
可以采用具有两个运放的较少元器件的结构替代，但有两个缺点(图 1b)。首先，不对称的结构使CMRR较低，特别是高频时。其次，可用于第一级的增益量有限。输出级误差则反馈回输入端，导致相对入的噪声和补偿误差更大。

也有单运放组成的仪用放大器，在最基本的拓扑结构中，一个仪用放大器可由一个单一的运算放大器，见附录.
三、仪用放大器的信号放大原理：

现所设计的仪用放大器是三运放结构，如上图。它是由运放A1，A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，Vi1,Vi2分别加到A1和A2的同向端，Rg和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈。由A1、A2虚短可得
Vi1=V2；Vi2=V3； 3.1
又由A1、A2虚断可得

3.2
又由A3虚断可得

；整理得

3.3

；整理得

                  3.4
由A3虚短可得
V5=V6；                                           3.5
则由3.3式、3.4式和3.5式可得

整理后可得

3.6
在上式中，如果我们选取电阻满足

的关系，则输出电压可化简为

3.7
根据式3.2和3.7我们可以得到

3.8
而我们为了是电路对称，提高仪用放大器性能，我们选取电阻应满足R5=R6的关系，且VREF通常接地，当我们对仪用放大器进行电路调零时，我们才会将VREF赋予一定电压（这在后面进行电路调零时会具体讲到），最终我们会得到输出电压的关系式为

3.9
电压增益则为

3.10
从该式中我们可直观的看到，我们可以根据选取R2/R1 和R5/Rg 电阻的比例关系，来达到不同的信号放大比例要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计最重要的环节之一。很多仪用放大器芯片，考虑到电路的稳定和安全，一般都固定R1~R6的阻值，只将Rg设置成可调（在后面会有相应说明）。
在前面我们提到过仪用放大器有很高的共模增益，现在我们根据下面的例子来说明其对共模的抑制作用。

根据上面的图片可知在输入端

根据图所示，最后得 Vo=G•VD
再此Vcm 即为共模信号，而VD 即为差摸信号，而噪声大多都是共模信号，经过该电路据可以被抑制而滤出我们所要的信号。

发表于 2012-3-25 12:21

不错的资料，楼主辛苦了，仪表放大器用的不多

发表于 2012-3-25 17:51

不怎么用的顶过。。。

发表于 2012-3-26 10:46

多谢楼主分享，看看

发表于 2012-9-27 18:10

顶一个写的不错楼主好人

发表于 2012-10-29 17:45

写的很好

发表于 2012-10-29 17:55

这个资料非常不错的啊，谢谢分享

发表于 2012-10-30 13:13

非常好的设计方案的，我借鉴了，谢谢

发表于 2012-10-31 09:41

该电路分析的非常不错，虽是还未怎完全整明白，但还是受益匪浅啊

发表于 2013-4-11 16:13

谢谢分享！

发表于 2013-4-11 23:18

这仪用放大器难点就是抑制噪音

发表于 2013-4-13 19:28

这篇**以前就看过了不过还是谢谢楼主谢谢了呵呵很不错的方案很好谢谢

发表于 2013-4-14 19:40

TI官网上原先看过了呵呵顶一个谢谢了楼主谢谢

发表于 2013-12-4 18:07

问一下。。这个运放一般是哪个型号的呀？

发表于 2013-12-5 12:13

仪表用放大器楼主谢谢了这一块这段时间在搞我们一般采用两级放大精度做上去比较难

发表于 2013-12-5 12:14

仪表放大器的难点是精度和稳定性以及抗干扰问题这是目前我们遇到的难点

发表于 2015-4-17 11:20

很好的资料

发表于 2015-4-17 22:19

仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是，它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。

发表于 2015-4-17 22:20

大多数仪用放大器采用3个运算放大器排成两级：一个由两运放组成的前置放大器，后面跟一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益。差分放大器抑制共模噪声，还能在需要时提供一定的附加增益。

发表于 2015-4-19 19:10

仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在DC到约1 MHz之间。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大。高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。

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