放大器的原理(精密放大器原理)

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大家好，我是巩俐。创造起来并不容易。我希望你能支持我。今天给大家分享一下:仪表放大器，主要是关于它的工作原理，公式推导，电路设计。

一、什么是仪表放大器？

仪表放大器是对差分放大器的改进，具有输入缓冲，不需要输入阻抗匹配。适用于测量和电子仪器。包括非常低的DC偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比和高输入阻抗。仪表放大器用于要求极高精度和稳定性的电路中。

仪表放大器主要用于放大差分信号，提供最重要的共模抑制(CMR)功能。它消除了两个输入端具有相同电位的任何信号。输入之间有电位差的信号被放大。

仪表放大器用于低频信号(< 1 MHz)，以提供大量增益。它放大输入信号并抑制输入信号中的共模噪声。

仪表放大器仪表放大器

基本上，典型的仪表放大器配置由三个运算放大器和几个电阻组成。为了实现最高的CMRR(共模抑制比)，需要使用高精度电阻(0.1%容差或更高)。

下图显示了仪表放大器芯片AD620的引脚配置和物理视图。这是一款高性能、低成本的标准放大器。它完全采用单芯片8引脚DIP和SOIC封装。使用单个外部电阻可以获得1至1000的任何所需增益。根据设计，增益为10和100的固定电阻值是标准的1%金属膜电阻值。

二、仪表放大器电路

仪表放大器通常用于放大低电平信号，抑制噪声和干扰信号。一个好的仪表放大器必须满足以下规格:

1.有限、精确和稳定的增益

因为仪表放大器需要放大来自换能器设备的极低电平信号，高且有限的增益是基本要求，增益需要精确，闭环增益必须稳定。

2.增益调整更容易

除了有限且稳定的增益之外，还需要在指定的值范围内改变增益系数。增益调整必须更容易、更精确。

3.高输入阻抗

为了避免输入源负载，仪表放大器的输入阻抗必须非常高(理想情况下无穷大)。

4.低输出阻抗

好的仪表放大器的输出阻抗必须非常低(理想情况下为零)，以免对下一级产生直接负载影响。

5.高CMRR

通过长线路传输时，传感器的输出通常包含一个共模信号。一个好的仪表放大器必须只放大差分输入，完全抑制共模输入。因此，在理想情况下，仪表放大器的CMRR必须无穷大。

6.高压摆率

放大器的压摆率必须尽可能高，以提供最大的无失真输出电压摆幅。

三、仪表放大器工作原理

仪表放大器由两个同相放大器和一个差分放大器组成。它由带有相应端子的电阻器组成。目的是设计一个具有高CMRR值和最大不失真信号值的放大器。

仪表放大器的操作需要以下步骤:

初始放大器（如同相放大器）被视为缓冲器。从电路中可以明显看出，对于这两个缓冲器，连接了三个电阻。电路中连接的电阻器的值将相等，除了电阻 R gain。在电路中的点 1，电压将被视为 V1。同样，在点 2，电压将被视为等于 V 2。在 R增益处产生的电位降是电压 V 1和 V 2之间的差。由于这个原因，电流流过那个点，即通过 Rgain。这表明没有通过反馈观察到电流流动。然后这导致相同数量的电流流过电路中连接在上方和下方的电阻。这样，仪表放大器就工作了。四、仪表放大器公式推导

这主要是关于仪表放大器的工作原理和输出电压增益的计算。如下图所示，我们大致可以将设计分为两部分:第一级和第二级(差分放大器)。Vout1和Vout2支路连接到第二级差分放大器设计的输入端。因此，我们需要先找到Vout1和Vout2，然后将差分放大器特性应用于这些输入。

一级:

这一级包括两个放大器和三个电阻器，它们连接在输入V1和V2之间，并输出Vout1和Vout2。

首先，我们来看看第一级放大器的V节点。假设放大器是理想的，那么它们的开环增益是无穷大。因此，我们可以假设V+处的电压等于V-处的电压。因此，我们可以写出v –= v+ = v1。同样，我们可以将第一级的底部放大器写成V –= V+= V2。

如图所示，没有电流可以从放大器的输入端流入放大器，因为运算放大器的反相和同相输入端具有无穷大的输入电阻。因此，来自R1的电流除了Rg之外无处可去。

同样，来自Rgain的电流必须流经底部放大器的R1。因此，从上部电阻器R1、Rgain和下部电阻器R1流出的电流是相同的电流。现在我们已经设置了这些，我们可以使用差信号来找到Id表达式。

并定义V2-V1 = Vd，差分输入信号。

因此，vout 1–vout 2之间的压降可以简单地写成Id。稀有

第二级(差分放大器级)

现在已经找到了Vout2-Vout1，可以进入第二阶段了。Vout2-Vout1是第二级的输入，实际上是一个差分放大器。第二级实际上是一个差分放大器，差分输入为vout 2–vout 1。

为了简化计算，我们首先考虑一个简单的差分放大器，并求出其电压增益。然后申请。

我们将在第二阶段找到结果。

考虑下图3中的差分放大器。让我们计算输入为V1和V2的差分放大器的Vout，然后用上面的表达式替换结果。

我们在V–和V+节点应用基尔霍夫电流定律。注意，运算放大器是理想的，为了简单起见，我们可以写成V –= V+= VX。

V形节点处的KCL:

Vx可以通过将这两个方程相减来去除。

现在，回到我们的原始电路，差分放大器级(第二级)的V1=Vout1，V2=Vout2。所以，

其中Vd = V2-V1，正如我们在上面第一阶段发现的。

我们得到了

其中Vd =差分输入V2-V1。

五、仪表放大器电路设计

1.LM358构建的仪表放大器

1)组件列表

仪表放大器电路需要下列元件:

2)仪表放大器的电路设计

该电路需要三个运算放大器，这里使用了两个LM358ICs。LM358是双运放模块，有两个运放，所以我们的电路需要两个运放。不过，您可以在四个封装中使用三个单封装运算放大器LM741和一个LM324。

U1:A和U1:B运算放大器用作上述电路中的电压缓冲器，以确保高输出阻抗。

U2:运算放大器用作运算放大器。由于所有差分运算放大器电阻均为10 k，因此它作为具有单位增益的差分放大器工作，这意味着输出电压为U2: A的引脚3和引脚2之间的电压差。

3)仪表放大器的计算

输出电压可以利用仪表放大器电路的以下公式来测量。

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

其中 R = 电路电阻。R = R2 = R3=R4 = 10k R5 = R6 = R7Rg = 电阻增益。Rg = R1；这里是22k。R 和 Rg 值决定放大器的增益。

增益值可以定义为

增益= (1+(2R/Rg))

电压V1是2.8V，V2是3.3V..r为10k，Rg为22k。值为10k。在上面的公式中，输入所有这些值。

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

(3.3-2.8)(1+(2×10/22))

(0.5)*(1.9)

= 0.95伏

我们的值是0.95V，和上面的近似值相对应。如上所述，电路的电压差因此为1.9。该电路测试输入电压之间的差异，并将增益乘以输出电压。

2.LM324构建仪表放大器

以一个四运放集成电路LM324为主要元件，如下图所示。其特征在于将四个功能独立的运算放大器集成在同一个集成芯片中。使用LM324有什么好处？也就是说，由不同的制造工艺引起的每个运算放大器的器件性能差异可以大大减小。此外，使用统一电源有利于降低电源噪声，提高电路性能指标。电路的基本工作原理保持不变。

3.AD620构建了一个仪表放大器电路。

该电路使用单片集成芯片AD620作为主要电子元件，如下图所示。其特点是电路结构简单:一个AD620、一个增益设置电阻Rg和一个工作电源。所以设计效率很高。

下图电路增益的计算公式为:G=49.4K/Rg+1。

4.LM741构建仪表放大器电路。

三个通用运算放大器LM741组成三运放仪表放大器电路，辅以相关电阻外围电路。同时添加A1和A2同相输入端的桥式信号输入电路，如下图所示。

上图中的A1 ~ A3可以分别用LM741代替。该电路的工作原理与典型的仪表放大器电路完全相同。

关于仪表放大器，我就知道这么多。希望大家能支持我，喜欢我，关注我。有问题请在评论区留言，一起讨论。