仪表放大器的设计与制作

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。

仪表放大器是一种特殊的放大器电路，用于测量和放大微弱信号。

它的原理是通过放大输入信号并降低噪声，以便更准确地测量和显示信号。

仪表放大器电路通常由以下几个主要部分组成：
1. 输入级：输入级负责接收和放大输入信号。

它通常由一个差分放大器组成，可以抵消共模噪声并提高信号的共模抑制比。

2. 增益控制：增益控制电路用于调节放大器的增益。

它可以通过改变电阻或电容值来实现。

3. 输出级：输出级负责放大信号并驱动负载。

它通常由一个功率放大器组成，可以提供足够的功率以驱动外部设备。

4. 反馈回路：反馈回路用于控制放大器的增益和稳定性。

它通过将一部分输出信号反馈到输入级来实现。

仪表放大器电路的工作原理是将输入信号放大到适当的范围，并通过反馈回路来保持放大器的稳定性和线性度。

它还可以通过滤波和抑制噪声来提高信号质量。

仪表放大器通常
用于测量仪器、传感器和实验室设备中，以提供准确和可靠的信号放大功能。

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。

传感器与检测技术（信号检测部分）实验指导书检测与控制实验中心编著重庆邮电大学自动化学院检测与控制实验中心2015.3.27实验一、基于三运放的仪表放大器的设计与仿真一．实验目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Proteus仿真平台，设计电路原理图；并生成电路板图；3 掌握基本焊接技术。

二．实训工具：Proteus仿真平台三．三运放构成仪表放大器的原理：随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。

仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。

仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。

仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。

与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。

仪表放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

这个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。

2. 构成原理仪表放大器电路的典型结构如图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。

必须收藏的仪表放大器设计及经典应用方案汇总
仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。

仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。

本文为大家介绍仪表放大器的设计及经典应用方案。

差分输入/输出低功耗仪表放大器
全差分仪表放大器具有其他单端输出放大器所没有的优势，它具有很强的共模噪声源抗干扰性，可减少二次谐波失真并提高信噪比，还可提供一种与现代差分输入ADC 连接的简单方式。

基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案
系统设计师喜欢将模拟链路设计得尽可能短，希望以此来提高信号抗外部噪声的能力。

过长的模拟链要求在后续电路中使用特定的信号处理电路。

使用仪表放大器(IA)连接传感器和ADC，在靠近信号源的地方将小信号放大可以改善一些应用的总信噪比，特别是当传感器不靠近ADC 时。

用于数据采集的超高性能差分输出可编程增益仪表放大器
有一种方法可以构建一个强大的模拟前端，以便在单一信号路径中实现衰减和放大，并且提供差分输出来驱动高性能模数转换器，将一个可编程增益仪表放大器，与一个全差分漏斗(衰减)放大器等级联。

该解决方案简单灵活，具有高速特性，并提供出色的精度和温度稳定性。

仪表放大器电路设计
本文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。

仪表放大器设计和制作本仪表放大器是由三个OA27P 集成运算放大器组成，OA27P 的特点是低噪声、高速、低输入失调电压和卓越的共模抑制比。

仪表放大器电路连接成比例运算电路形式，其中前两个运放组成第一级，二者都接成同相输入形式，因此具有很高的输入电阻。

由于电路的结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。

后一个运放组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。

经计算，本设计中仪表放大器的电压放大倍数Au=R5/R3(1+2R1/R2)=100，结果将在仿真中验证。

仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模抑制比，具有较低的失调电压，失调电流、噪声及飘移的放大器。

在使用时，在图1 中R4、R5、R6、R7 四个电阻要精密且匹配，否则将给放大倍数带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。

一、仪表放大器电路图本设计采用Prote199se 电路仿真软件，绘制电原理图后可自动生成印制线路板图.还可进行电路仿真。

绘制电原理图时特别要注意选择各种元件的封装形式.这也是后序能否成功自动布线的关键之一。

本设计中各元件的封装形式如下：电阻(AXIAL0.3)、电解电容(RB.2/.4)、瓷介电容(RAD0.1)、集成电路(DIP-8)、三端稳压块(TO-220)。

仪表放大器的电路图如图1。

图中R8 是原理图电气检查时附加的，实际制作时不用安装。

二、电原理图绘制与印制板图设计1、进入Prote199se SCH 界面，绘制电原理图；经电气检查(ToolERC)，无误后即可生成网络表(DesignGreat Netlist)。

2、进入Prote199se PCB 界面，绘制印制板图。

先确定外围尺寸：长50mm、宽25mm。

且要求外框接地又不能封闭如图2。

接着载入网络表(DesignLoad Nets)，把所有的元件合理地布到印制板图上。

进行自动布线参数的设置(OptionsRules)。

最基本的有三点：线宽、线距和层数。

基于仪表放大器电路设计智能仪表仪器通过输入的信号，普通都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且经常陪同有较大的噪声。

对于这样的信号，处理的第一步通常是采纳仪表先将小信号放大。

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辨别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挺直影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。

本文从仪表放大器电路的结构、原理动身，设计出四种仪表放大器电路实现计划，通过分析、比较，给出每一种电路计划的特点，为电路设计兴趣者、同学举行电路试验提供一定的参考。

1 仪表放大器电路的构成及原理仪表放大器电路的典型结构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尾随作用，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要求不变状况下，可显然降低对R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比容易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=(1+2R1／Rg)(Rf ／R3)。

由公式可见，电路增益的调整可以通过转变Rg阻值实现。

2 仪表放大器电路设计2．1 仪表放大器电路实现计划目前，仪表放大器电路的实现办法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片挺直实现。

按照现有元器件，文中分离以单运放LM741和OP07，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计划。

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血压计中仪表放大器的工作原理及制作仪表放大器是精密差动电压放大器，其源于运算放大器，但优于运算放大器，具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用。

采用分立元件构成的仪表放大器作为血压计中压力传感器前置放大电路，设计一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成单元模块放大电路。

1 血压计原理人体血压指的是动脉血管中脉动的血流对血管壁产生的侧向垂直于血管壁的压力，主动脉血管中垂直于管壁的压力峰值为收缩压，谷值为舒张压。

血压、心率是反映心血管系统状态的重要生理参数。

血压计是通过充气袖套阻断上臂动脉血流来实现的，在袖套充气的过程中，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖套压力下降，脉搏波开始出现，当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大，直到平均压力达到最大值，然后又随袖套压力下降而衰减。

血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间关系来估算血压的，与脉搏波最大值对应的是平均值，收缩压和舒张压分别由对应脉搏波最大振幅的比例来确定。

图1 血压测量系统框图血压测量原理如图1所示，压力传感器要求体积小，重量轻，采用固态压阻式压力传感器，其功能是将血压转换成电阻的变化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系统采用仪表放大器；仪表放大器放大的信号经模／数转换后，由单片机处理输出，LCD显示测量结果。

2 仪表放大器2.1 设计原则系统中压力传感器检测到的信号为20～200 Hz，幅度为毫量伏级甚至微伏量级，夹杂大量干扰成份，因此要求前置放大器不仅具有高增益，还要有一定的抗干扰能力。

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。

因此前置放大器设计时注意：。

基于Multisim的仪器放大器的设计一、实验目的：1、掌握仪器放大器的设计方法2、理解仪器放大器对共模信号的抑制能力3、熟悉仪器放大器的调试功能4、掌握虚拟仪器库中关于测试模拟电路仪器的使用方法，如示波器，毫伏表信号发生器等虚拟仪器的使用二、实验原理：在精密测量和控制系统中，需要将来自各种换能器的电信号进行放大，这种电信号往往为换能器之间或者换能器与基准信号之间的微弱差值信号。

仪器放大器就是用来放大这种差值信号的高精度放大器，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。

三、运放仪器放大器图中所示是有三个运放构成的仪器放大器。

其中，集成运放A3组成差值方法器，集成运放A1和A2组成对称的同相放大器，且R1=R2，R3=R5，R4=R6。

由于v-→v+，因而加在RG两端的电压为（vI1−vI2），相应通过RG的电流iG= 于i-→0，因而vo1=iGR1+vI1，vo2=−iGR2+vI2当R1=R2=R时，vo1−vo2=(1+2R)(v−vI2) GI1vI1−vI2RG对于A3而言，vo1加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理，合成的输出电压：R4R6R4vo=−vo1+vo2(1+) 3563由于R3=R5,R4=R6,因而vo=−仪器放大器的差值电压增益：Avf=voR42R=−(1+vI1−vI2)I1I23GR4R42R vo1−vo2 =−(1+) 33G仪器放大器的差值电压增益：Avf=vvoI1+vI2=−(1+RG2R四、实验内容：1、采用运算放大器设计并构建一起放大器：(1) 输入信号Ui=2mV时，要求输出电压信号Uo=0.4V，Avd=200，f=1kHZ；(2) 输入阻抗要求Ri>1MΩ。

2、用虚拟仪器库中关于测试模拟电路仪器，按设计指标进行调试。

主要虚拟仪器中的函数发生器、毫伏表、示波器。

五、实验仿真结果输入信号vi输出信号vo示波器测试如图，CH1代表输出，CH2代表输入。