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【每日电路赏析】仪表放大器电路

2019-10-11 16:36:17  698 电路设计 仪表放大器 运算放大器 lm358
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几乎所有传感器都会将真实世界里的物理量转换为电路系统中的电压值,比如光,温度和质量等。而电平的变化能帮助我们分析/测量这些物理量,但在生物医学层面的传感器上,电平变化可能很小(低电平信号),而持续追踪每分钟的变化从而得到可靠数据又非常重要。这时我们就需要用到仪表放大器。

仪表放大器也被称为INO,正如名字所示,它会放大电平的变化并像其他运放一样提供一个差分输出。但和其它普通放大器不同的是,当以完全差分输入的共模噪声抑制时,仪表放大器会有着较高的阻抗和不错的增益。现在不理解没有关系,这篇文章会带你理解仪表放大器,考虑到仪表放大器的IC比普通运放要贵,我们来了解一下如何用普通的运放比如lm385或LM324来打造一个仪表放大器。

仪表放大器的IC是什么?

除了平常的运算放大器IC之外,我们还有一些特殊的仪表放大器IC比如INa114,。但它也不过是几个寻常运算放大器结合起来用于特殊情况而已。为了理解,我们从INA114的规格书里看下它的内部电路图
1.png
如图所见,IC会接收两个信号电压Vin-和Vin+,我们将其分别比作V1和v2。则输出电压V0可以用以下公式

  1. V0=G(V2-V1)
复制代码

其中G是运算放大器的增益,我们可以用外部电阻RG来计算。


  1. G=1+(50kΩ/RG)
复制代码

注意:其中的50kΩ只用于INA114,因为它使用的是25kΩ的电阻(25+25=50)。不同IC你可以根据其中不同的电路来分别计算。

所以其中的运算发达器只提供两个电压源间的电平差,而外部电阻则决定其增益。

这正是差分放大器的原理,比如上图中的A3。所以我们也可以将仪表放大器看做是另一种类型的差分放大器,但它拥有许多优势,比如高输入阻抗和简单的增益控制等。这些优势则由另外两个运算放大器来决定的(A2和A1)。

理解仪表放大器

为了完全理解仪表放大器,让我们看看下面几个运放的图。
2.png
如你所见,仪表放大器是由两个缓冲放大器和一个差分放大器组成的。

差分放大器和仪表放大器的区别

差分放大器的劣势在于输入电阻造成的输入阻抗低,同时还有高共模增益造成的低共模抑制比(CMRR)。而在仪表放大器内,因为缓冲电路的存在,这些都被克服了。

同时在差分放大器中,我们需要改变大量电阻来改变放大器的增益值,但仪表放大器内,我们只需改变一个电阻的阻值就可以控制增益。

使用运算放大器(LM358)的仪表放大器

现在让我们用运算放大器打造一个实际的仪表放大器来看看它的工作原理吧。该仪表放大器的电路如下。
3.png
4.png
该电路需要3个运算放大器,我用了两个LM358。因为LM358其中有两个运算放大器,所以只需要两个LM358即可。当然你也可以用三放大器的LM741或者是四放大器的LM324。

在以上的电路中,U1:A和U1:B两个运放用于电压缓冲,从而实现高输入阻抗。运放U2:A则作为差分放大器。既然差分放大器的所有电阻都是10kΩ,而输出电压的淡雅差为3号引脚与2号引脚间的电平差。仪表放大器的电路输出如下式:

Vout=(V2-V1)(1+(2R/Rg))

其中R=电路中的电阻。这里R=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ
Rg=增益电阻。这里Rg=R1=22kΩ

所以等式的右边括号内其实也就是放大器的增益,由R和Rg决定。

仪表放大器的仿真

以上电路的仿真结果如下
5.png
我们可以看出输入电压为V1=2.8V,V2=3.3V。R的值为10kΩ,而Rg的值为22kΩ。将这些值代入上面的等式可得
Vout=(3.3-2.8)(1+(2x10/22))=0.95V。

仿真结果与计算值匹配。所以上述电路的增益为1.9,而电平差为0.5V。

同样你还可以发现V1和V2的输入电压似乎穿过了电阻Rg,这是由于U1:A和U1:B的负反馈。这确保了Rg两端的压降等于V1和V2间的电平差,同样使得流经R5和R6的电流相同,这样U2:A的引脚2和引脚3上的电压差也相同,若是你测量这两个电阻前U1:A和U1:B的输出电压,你会发现两者的电压差与仿真输出结果相同。

仪表放大器电路的硬件测试

以上都是理论,我们用实际的电路来测试一下,连接方式与结果如下。
6.png
万用表测得的结果为0.952伏,与我们的理论值相符。

你还可以改变R1的值来改变增益,而这种改变一个电阻阻值来改变增益的方式常用于音频电路中。

王栋春 2019-10-11 21:46:45
学习了     
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史密斯罗根 2019-10-12 00:27:23
讲的很不错,很棒
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