仪表放大器设计方案

1ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路Analog Engineer's Circuit:AmplifiersZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计目标输入V idiff (V i2-V i1)共模电压输出电源V i diff Min V i diff Max V cm V oMin V oMax V cc V ee V ref -0.5V+0.5V±7V–5V+5V+15V–15V0V设计说明此设计使用3个运算放大器构建分立式仪表放大器。

电路将差动信号转换为单端输出信号。

仪表放大器能否以线性模式运行取决于其构建块（即运算放大器）能否以线性模式运行。

当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器以线性模式运行。

这些范围取决于用于为运算放大器供电的电源电压。

设计说明1.使用精密电阻器实现高直流CMRR 性能2.R 10设置电路的增益。

3.向输出级添加隔离电阻器以驱动大电容负载。

4.高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。

5.能否以线性模式运行取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。

线性输出摆幅范围在运算放大器数据表中A OL 测试条件下指定。

2ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计步骤1.此电路的传递函数：2.选择反馈环路电阻器R 5和R 6：3.选择R 1、R 2、R 3和R 4。

要将Vref 增益设置为1V/V 并避免降低仪表放大器的CMRR ，R 4/R 3和R 2/R 1的比值必须相等。

4.计算R 10以实现所需的增益：(1)5.要检查共模电压范围，请从参考文献[5]中下载并安装程序。

通过为内部放大器具有所选放大器（在本例中为TLV172）所定义的共模范围、输出摆幅和电源电压范围的三级运算放大器INA 添加代码，对安装目录中的INA_Data.txt 文件进行编辑。

三运放仪表放大器摘要本系统采用三个OP07双电源单集成运放芯片构成仪表放大器，此放大器能调节将输入差模信号放大100至200倍，同时具有高输入电阻和高共模抑制比，对不同幅值信号具有稳定的放大倍数；电源部分由变压器、整流桥、7812、7912、7805等线性电源芯片组成，可输出+5V、+12V、-12V三路电压。

一、方案论证与比较1.放大器电源的制作方法方案一：本三运放仪表放大器系统采用集成运放OP07，由于OP07是双电源放大器，典型电源电压为，可方便采用市售开关电源或者开关电源芯片制作电源作为OP07的电源输入，开关电源具有的效率高，体积小，散热小，可靠性高等特点，但是因为其内部构造特性，使输出电压带有一定的噪声干扰，不能输出纯净稳定的电压。

方案二：采用线性电源稳压芯片78系列和79系列制作线性电源，使用多输出抽头变压器接入整流桥再接入稳压芯片，输出纯净的线性电源。

2.电源方案论证本系统是一个测量放大系统，其信号要求纯净无噪声干扰，在系统中加入滤波器消除干扰的同时，我们应该考虑系统本身的干扰源并尽量降低干扰。

考虑到开关电源的输出电压不是十分纯净的，带有许多噪声干扰，而线性电源可以稳定输出电压值，虽然线性电源体积较大，效率较低，但是作为测量系统中，我们采用方案二来提高测量的精准度。

3.放大器制作方法方案一：题目要求使输入信号放大100至200倍，可使用单运放构成比例运算放大电路，按负反馈电阻比例运算进行放大，输出电压，此放大电路可以达到预定的放大倍数，但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题。

方案二：采用三运放构成仪表放大器，这是一种对弱信号放大的一种常用放大器，输出电压。

4.放大器方案论证在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。

然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。

这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。

仪用放大器使用注意事项。

仪表放大器的结构仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成，如图1所示。

在传统的三片运放方式的基础上做一些改进，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差，同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗，且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。

由于采用激光调阻，使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。

图1 仪表放大器的结构原理框图图1所示为BB（Burr Brown）公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。

在实际应用时，正负电源引脚处应接滤波电容C，以消除电源带来的干扰。

5脚为输出参考端，一般接地。

实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值，也将对器件的共模抑制比产生很大的影响，如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。

应用中应考虑的问题1 输入偏置电流回路一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。

仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为±5nA。

由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，对差分信号放大不会产生太大影响。

输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果电路中没有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关），使输入放大器饱和而失去放大功能。

（实验中好像是c）针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图2所示。

其中(a)为差分信号源阻抗较高（人体内阻算大还是小？接电极时是否需要导电膏之类的东西，这是人体电阻大约是多少？）时常用的形式，其中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；（c）为对称结构常用的形式。

仪表放大器课程设计要求一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握仪表放大器的基本原理、结构和应用，提高学生的理论水平和实际操作能力。

具体目标如下：1.知识目标：（1）了解仪表放大器的基本原理和组成；（2）掌握仪表放大器的分类及其特点；（3）熟悉仪表放大器在实际工程中的应用。

2.技能目标：（1）能够分析仪表放大器的工作原理；（2）具备选用和调试仪表放大器的能力；（3）会使用仪表放大器进行实际测量。

3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对仪表放大器的兴趣，提高学习积极性；（2）培养学生团结协作、勇于探索的精神；（3）使学生认识到仪表放大器在工程中的重要性，提高学生的责任感。

二、教学内容根据课程目标，教学内容主要包括以下三个方面：1.仪表放大器的基本原理：介绍仪表放大器的工作原理、性能指标等；2.仪表放大器的分类及应用：讲解不同类型的仪表放大器及其在工程中的应用；3.仪表放大器的选用与调试：介绍仪表放大器的选用原则、调试方法等。

三、教学方法为了实现课程目标，我们将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解仪表放大器的基本原理、分类及应用；2.讨论法：学生针对实际案例进行讨论，提高学生的分析能力；3.案例分析法：分析具体工程案例，使学生了解仪表放大器的实际应用；4.实验法：安排实验室实践环节，培养学生的动手能力。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的理论知识；2.参考书：提供丰富的参考资料，帮助学生拓展知识面；3.多媒体资料：制作精美的PPT，提高课堂教学效果；4.实验设备：保障实验室实践环节的顺利进行，让学生亲身体验仪表放大器的工作原理和应用。

五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，我们将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、回答问题等环节，评估学生的学习态度和积极性；2.作业：布置适量的作业，评估学生的理解和掌握程度；3.考试：设置期中、期末考试，检验学生对课程知识的掌握情况；4.实验报告：评估学生在实验环节的操作能力和分析问题的能力；5.小组项目：评估学生在团队协作中的表现，包括沟通能力、协作精神等。