仪表放大器的设计应用

电阻具体数值见仿真图中所标注。
电桥左侧电压应为9.5k/19.5kx5V=2.4359V，输入差模电压为Ud=2.5V-2.4359V=0.0641V
电压放大倍数Au=(R5/R4)x(1+2R1/R7)=(50k/50k)x(1+2x50k/1k)=101倍
调低电位器R7，可使电压放大倍数自101倍基础上变得更大。
输出电压理论值Uo=101x0.0641V=6.474V
输出电压实际值Uo=6.47V
失真很小很小

作为仪表放大器，首先要考虑放大器的稳定性，特别是温度的稳定性，在它允许的温度范围内，其放大倍数的变化都要小于规定的指标。

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，分别以单运放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所示。
图2中的A1～A3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A1～A3)。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AD620实现，如图4所示。它的特点是电路结构简单：一个AD620，一个增益设置电阻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=49．4K/Rg+1。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1～4依次分别表示以LM741，OP07，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。
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A1，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A1，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。