精密仪用放大电路

一种高共模抑制比仪用放大电路的设计在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，它具有高输入阻抗、高共模抑制比和精确的电压增益，但对称的电路结构给实际应用带来不便，对外围元件的公差要求严格，所以在应用中受到限制。

为此，我们设计了带共模电压负反馈的仪用放大电路，它具有高共模抑制比的特点，弥补了传统仪用放大器的不足。

仪用放大器的特点仪用放大器是一种经过优化处理、专门设计的精密差分放大器，它具有很多独特的优势。

1高共模抑制比仪用放大器具有能够消除任何共模信号（两输入端电位相同）而放大差模信号（两输入端电位不同）的特性。

为了使仪用放大器能正常工作，要求它既能放大微伏级差模信号，同时又能抑制几伏的共模信号，实现这种功能的仪用放大器必须具有很高的共模抑制能力。

共模抑制比的典型值为70- 100dB。

通常，在高增益时，CMRR的性能会得到改善，即高增益时CMRR较高，低增益时较低。

2较小的线性误差通常，输入失调和比例系数都能通过外部调整加以修正，而线性误差则是器件的固有缺陷，不能用外部调整来消除。

因此，仪用放大器线性误差小的特点，是由厂家通过采用先进生产工艺和芯片结构设计来实现的。

线性误差通常用满刻度的百分比来表示，对于一个高性能的仪用放大器来说，线性误差为0.01%，有的甚至能达到0.0001%。

3高输入阻抗在实际应用电路中信号源阻抗可能很高或不平衡，为了能很好的匹配，仪用放大器的输入阻抗不但要很高，而且还要具有良好的匹配性能。

输入阻抗的典型值为。

4低噪声仪用放大器经常被用在恶劣的环境中，完成较弱信号的拾取和预处理，所以要求它必须是低噪声器件，信噪比太低就不能工作。

在正常情况下，当输入信号的频率为1kHZ时，折合到仪用放大器输入端的噪声应小于。

为了提高信噪比，一般不希望仪用放大器把自身的噪声加到信号上。

5 低失调电压和低失调电压漂移仪用放大器由两个独立的部分组成，即输入级和输出级，总输出失调电压等于输入失调乘以增益加上输出失调。

实验报告课程名称：电路与模拟电子技术实验指导老师：成绩：________实验名称：仪用运算放大器的应用实验类型：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1．了解仪表放大器与运算放大器的性能区别；2．掌握仪表放大器的电路结构及设计方法；3．掌握仪表放大器的测试方法；4．学习仪表放大器在电子设计中的应用。

二、实验内容和原理（必填）1.实验内容（1）.用通用运算放大器设计一个仪表放大器；（2）.用INA128精密低功耗仪器放大器设计一个仪表放大器。

2.仪用放大器的介绍（1）仪表放大器是一种高增益放大器，其具有差分输入、单端输出、高输入阻抗及高共模抑制比等特点；（2）仪表放大器采用运算放大器构成，但在性能上与运算放大器有很大的差异。

标准运算放大器的闭环增益由反馈网络决定；而仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络，因此具有很高的共模抑制比KCMR，在有共模信号的情况下也能放大很微弱的差分信号。

（3）当前在数据采集、医疗仪器、信号处理等电子系统设计中普遍采用仪表放大器对弱信号进行高精度处理。

（4）常用的仪表放大器可采用由三个运算放大器构成，也可直接选用单片仪表放大器。

单片仪表放大器具有高精度、低噪声、设计简单等特点以成为优选器件。

3．典型仪表放大器典型的仪表放大器电路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。

课程名称：电路与电子技术实验Ⅱ指导老师：成绩：__________________实验名称：仪用放大器的应用电路设计类型：___________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1.学习并了解仪用放大器与运算放大器的性能区别。

2.掌握仪用放大器的电路结构及设计方法。

3.掌握仪用放大器的测试方法。

4.学习仪用放大器在电子设计中的应用。

二、实验内容和原理1. 仪用放大器仪用放大器是一种精密差动电压放大电路。

在实际的生产生活中，实际的信号获取单元经常需要面对强噪声背景下的微弱信号，这些强噪声将以共模的形式进入测量单元。

虽然运放具有共模抑制比，但信号电压和共模电压一起被传送到输出端，将降低放大器的有效输出范围。

2.基本差动放大器与带输入缓冲的差动放大器基本差动放大器：带输入缓冲的差动放大器：3.标准的三运放构成的仪用放大器造成差动放大器误差的两个主要因素为：运算放大器的参数和电阻器匹配的精确度。

若在输入运算放大器周围增加匹配电阻，把增益设臵放在前端实现，就构成了仪用放大器。

仪用放大器的传输函数为：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，来提高共模抑制比。

4.单片仪用放大器5.双孔梁应变式传感器力传感器单元是这个实验的传感器，为信号输入部分。

它内部含有由4个全桥电路。

7.单个通用放大器设计电子秤电路三、主要实验仪器综合实验箱、DG01万用表四、操作方法和实验步骤1.单片仪用放大器构成的电子秤电路①检查实验箱、万用表，检查放大电路的完整性。

②按电路图连接电路，分别将集成仪表放大器、力传感器、增益调节电路、万用表一起构成电子秤，万用表选择2V量程。

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。

精密仪用放大器INA114原理及应用摘要：INA114是一种通用仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低廉，可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD传感器和医疗仪器等。

INA114只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值，内部输入保护能够长期耐受±40V，失调电压低（50μV），漂移小（0.25μV/℃），共模抑制比高（G=1000时为50dB），用激光进行调整，可以在±2.25V的电压下工作，使用电池（组）或5V单电源系统，静态电流最大为3mA。

INA114采用8引脚塑料封装或SOL-16表面封装贴件，使用环境温度为-40℃～+85℃。

还有就是INA114的电气参数、建立增益、噪声特性、失调/偏移的修正、偏置电压返回路径、输入共模范围、输入保护。

结束语综上所述，INA114精密仪用放大器精度高、增益范围大、性能优良、价格低廉，非常适合于精密仪器的使用。

第一章引言INA114是美国BURR—BROWN公司推出的精密仪用放大器，具有成本低、精度高通用性强等优点，三运放结构设计，减小了尺寸，拓宽了应用范围。

利用一个外部电阻器就可在1—10000范围内进行增益调节，内部输入防护可承受高达40V的共模电压而不会损坏。

INA114具有低失调电压(50V)、低漂移(0.25V/C)和高共模抑制比(当G = 1000时为115dB )。

能在 2.25V低电源情况下工作，也可用5V单电源工作。

静态工作电流最大3mA。

第二章 INA114结构原理及特点一、特性1．低失调电压: 最大50V2．低漂移: 最大0.25V/ C3．低输入偏流: 最大2nA4．高共模抑制:最小115dB5．输入过压保护:40V6．宽电源范围: 2.25 —18V7．低静态电流: 最大3mA二、应用1．电桥放大器2．热电偶放大器3．RTD感测放大器4．医用放大器5．数据采集三、结构原理图INA114结构原理图如图1所示：图1 结构原理图-(脚2)：信号反向输入端。

精密仪器数据放大电路图
精密仪器数据放大电路图
精密仪器数据放大电路如图所示，该电路由2个运算放大器和多个电阻组成，其中A1，A2应选择高输入阻抗的运算放大器以保证测量的高精度，放大器电阻的选择应是对称的。

A1，A2都采用同相放大器接法。

热电偶在工业现场采集的信号不可避免地搀杂有其他的干扰信号。

图中输入端的两个电容具有滤波功能，其中22μF的电容可滤去高频信号，0.1μF的电容可滤去低频信号；电阻R2的作用是调零；电阻R3作用是浮置，提高电压；A1、A2两个运算放大器组成的电路对信号进行放大，使输入信号转换为ADC可识别的信号U1、U2。

如热电偶在工业现场采集的信号为0 mV～16.34 mV，放大至0 V～5 V。

则放大倍数为306，只要调节R6即可。

精密仪用放大器INA114原理及应用摘要：第一章引言INA114是美国BURR—BROWN公司推出的精密仪用放大器，具有成本低、精度高通用性强等优点，三运放结构设计，减小了尺寸，拓宽了应用范围。

利用一个外部电阻器就可在1—10000范围内进行增益调节，内部输入防护可承受高达±40V的共模电压而不会损坏。

INA114具有低失调电压(50μV)、低漂移μV/︒C)和高共模抑制比(当G = 1000时为115dB )。

能在±低电源情况下工作，也可用5V单电源工作。

静态工作电流最大3mA。

第二章INA114结构原理及特点一、特性1．低失调电压: 最大50μV2．低漂移: 最大μV/︒C3．低输入偏流: 最大2nA4．高共模抑制:最小115dB5．输入过压保护:±40V6．宽电源范围: ±2.25 —±18V7．低静态电流: 最大3mA二、应用1．电桥放大器2．热电偶放大器3．RTD感测放大器4．医用放大器5．数据采集三、结构原理图INA114结构原理图如图1所示：图1 结构原理图1． V IN-(脚2)：信号反向输入端。

该端与信号同相输入端（脚3）构成差分输入。

2． V IN+(脚3)：信号同向输入端。

3．增益调整(脚1、8)：该端接外接增益调整电阻器R G。

4． V O(脚6)：放大器输出端。

5． Ref(脚5)：参考电压输入端，通常接地。

为确保良好的共模抑制，连接必须是低阻抗的，如果一个5 的电阻串接在此脚，将引起共模抑制比典型值下降到80dB（G=1）。

三、工作原理分析1．三运放仪用放大器电路结构仪用放大器的三运放结构，是在差动运放的基础上发展起来的一种比较完善的结构形式，如图2所示，其中，A1、A2为同相放大器，A3为差动放大器，三个运放都具有高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声等特性，且A1、A2性能完全匹配。

图2 三运放仪用放大器电路结构2．工作原理分析(1)当Ui1单独作用，即Ui2 = 0时：Ui2 = 0， UN = 0(2)当U i2单独作用(Ui1= 0)时：Ui1 = 0， UM = 0(3)当Ui1、Ui2同时作用时：当满足电阻匹配条件，即 R5 = R4 , R7 = R6 , R3 = R2时，输出电压为：选择R2～R6=R ，则增益为：因此，INA114的增益为： GR k G Ω+=501 i1121o1U R R R U +='i113o2U R R U -='i2121o2U R R R U +=''i212o1U R R U -=''o1o1o1U U U '''=+122i1i211R R RU U R R +=-o2o2o2U U U '''=+133i2i111R R RU U R R +=-6o o2o14()R U U U R =-6123i2i114()()R R R R U U R R ++=-121)(413216R RR R R R R R G +=++=其中，R是外接电阻器，50k 是内部两个反馈电阻值的和。

简单分立式单端转差分精密仪表放大器电路介绍
 简介
 在许多应用中，ADC需要在存在大共模信号的情况下处理一个很小的差分输入信号。

传统的仪表放大器（In-Amp）只具有单端输出和有限的共模范围，因此在这些应用中并不常用。

为了充分利用这些器件的高性能和低成本，可以设计一个简单的电路，将其单端输出转换为差分输出，并且改善其输入共模范围，使之更适合这些应用。

许多低成本仪表放大器所具备的带宽、直流精度和低功耗可以满足所有的系统要求。

使用仪表放大器的另一好处是，用户无需构建自己的差分放大器，因此省去了很多高成本的分立器件。

本文将提出一种简单的方法来构建一个低成本仪表放大器并优化其性能。

此外，该解决方案的成本和性能与单芯片仪表放大器不相上下。

 图1详细介绍了所提出的精密系统设计，该设计允许用户在存在高共模电压的情况下测量差分信号。

该电路包括一个输入缓冲器、一个ADC驱动器
和一个基准电压源。

缓冲器驱动仪表放大器的参考引脚，并将单端输出转换为差分输出。

该电路具有非常高的输入共模电压范围。

它可以处理高达±270 V的共模电压（采用±15 V电源供电），在正负方向几乎达到电源电压的20倍，这是电机控制应用的关键。

此外，还对输入提供高达±500 V的共模或差模瞬变保护。

仪用放大器工作原理
仪用放大器是一种集成运算放大器，它广泛应用于各种自动控制系统中。

它的输入端通常接一个负载电阻，输出端接一个负载电容。

典型的仪用放大器的输入电容值为1pF，输出电容值为10pF。

输出端的负载电阻又称为负载电阻。

仪用放大器主要是由运算放大器和电阻网络两大部分组成的，它是一个理想的双稳态器件，有较好的线性特性和较高的放大倍数。

由于具有良好的线性特性，所以可以用来构成各种类型的直流电源；由于具有很高的放大倍数，所以可以构成各种类型的放大器；由于具有较低的负载电容，所以可以构成各种类型的补偿网络；由于具有较低的电压增益和较高的频率特性，所以可以用来构成各种类型的直流信号发生器。

下面就来介绍一下仪用放大器工作原理：
在仪用放大器中，我们可以把输入端（即负载电阻）与输出端（即负载电容）连接起来形成一个双稳态电路，当负载电阻为0时，该电路处于非稳态状态；当负载电阻大于0时，电路处于稳态状态。

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