仪用放大电路在线视频

大家好

本节我们将学习仪用放大电路

本节的学习目标为

1.理解仪用放大电路的工作原理

2.能够分析仪用放大电路的特点

3.能够将仪用放大电路

应用到实际工程中

首先我们来看一个工程案例

心电信号的测量

大家都清楚心电信号是如何测量的吗

心脏在机械性收缩前先产生电激动

从而产生生物电流

并经过组织和体液的传导致体表

与身体不同的部位产生不同的电位变化

从而形成了体表电位差

我们用仪表或仪器测量并记录此电位差

就可以得到心电图

从心电产生原理中可以知道

心电信号是差动输出信号

由于人体阻抗较高

所以信号输出时具有较高的输出阻抗

同时

由于人体带有静电

此静电信号会造成较大的共模干扰

对于这样的心电信号

我们可能先想到的是用基本差动放大电路

对心电信号进行放大

基本差动电路虽然能对差动信号进行放大

且具有较高共模抑制比

但是基本差动放大电路的

输入阻抗低

而且增益调节困难

是否具有一种既能放大差动信号具有

较高共模抑制比又具有较高输入阻抗

增益又容易调节的电路呢

答案是有

也就是今天我们要讲的仪用放大电路

该图为三运放放大电路

也称为仪用放大电路

顾名思义

就是多用于仪器中的放大电路

所以叫仪用放大电路

他由N1、N2、N3三个运放组成

其中N1、N2

组成同相并联型放大电路

构成整个电路的差动输入级

N3为双端输入单端输出的

基本差动放大电路

构成整个电路的

输出级

我们先分析输入级

输入级有两个输入信号

ui₁和ui₂

令差动信号uid=ui₂-ui₁

共模信号

为

uic等于

1/2（ui₁+ui₂）

我们先确定

输入极的共模抑制比CMRR12

因为共模抑制比为差模增益

与共模增益的比值

所以先确定同相并联型

放大电路的差模增益k12d

假设

运算放大器N₁的输出为uo₁

运算放大器N₂的输出

为uo₂

由虚短

可以得到电阻R0上端和下端的电压分别为

ui₁和ui₂

根据虚断可以得到

流过电阻R₂、R0和R₁的

电流相等

假设为IR

此时可以得到

IR=（uo₂-ui₂）/R₂

等于（ui₁-uo₁）/R₁

等于

（ui₂-ui₁）/R0

这样

由此式我们就可以得到

下面两个式

从而我们可以获得4式

差模增益

k12d

应该为运算放大器N1和n2的

差动输出比上差动输入

即uo₂减uo₁

比上ui₂减ui₁

根据4式可以得到结果为

（1+（R₁+R₂）/R0），即式5

我们接下来确定同相并联型

放大电路的共模增益

k12c

我们令输入信号ui₂

等于ui₁

根据共模信号的定义

共模信号uic

等于二分之一倍的

（ui₁+ui₂）

等于ui₂

也等于ui₁

此时流过电阻R0的电流

根据公式1可以得到

电流IR为0

又知道

流过电阻R₂、R₁和R0的

电流均相等

所以都为0

所以得到

输出uo₂等于uo₁

等于uic

即电阻R₁、R₂和R0

各自两端电压均为共模信号uic

现在我们已经得到输入信号ui₁

等于输入信号ui₂

等于输出uo₂

等于

共模信号uic

所以对于共模信号uic

同相并联型放大电路的各处电压

均为共模信号uic

因为同相并联型放大电路

各处的电压均为uic

这样

就与电阻R₂、R₁、R0

的阻值无关

此时我们可以求得共模增益

k12c等于

uo₂减uo₁比上uic

因为uo₂等于uo₁

等于uic

所以

共模增益k12c为零

差模增益k12d和共模增益k12c

均得到之后

我们就可以计算共模增益

CMRR12

此时的共模抑制比CMRR12

等于k12d比上k12c

等于

正无穷

因为此时

共模增益k12c为0

此外

我们还可以得出一个结论

无论电阻R₂、R₁和R0的阻值

如何选取

共模增益k12c均为零

也就是说

都能保证共模抑制比CMRR12

为无穷大

这位电路设计带来极大的便利

接下来我们来分析输出级的共模抑制比

CMRR3

先分析基本差动放大电路的差模增益

k3d

因为输出级是基本差动放大电路

所以在满足

R₅/R₃=R₆/R₄

的情况下

输出uo等于

R₅/R₃*（uo₂-uo₁）

我们令R₃=R₄

R₅=R₆

此时差模增益

k3d等于

R₅/R₃

我们再分析基本差动放大电路的共模增益

k3c

通过前面所学的知识

可以得到

当R₃=R₄，R₅=R₆时

共模增益k3c为0

实际应用中不可能做到R₃=R₄

R₅=R₆

当其

不能准确配对时

也就是说，电阻存在

相对误差δ

此时实际的电阻值为

R₃（1+δ₃）

R₄（1+δ₄）

R₅（1+δ₅）

R₆（1+δ₆）

这样我们可以得出实际的共模增益k3c为

这样一个结果

在最坏的情况，也就是误差最大时

共模增益k3c等于

4δ/（1+R₃/R₅）

又因为

差模增益k3d等于

R₅/R₃

所以共模增益k3c又可表示为

4δ/（1+1/k3d）

到现在，我们得到了输出级的差模增益k3d

和共模增益k3c

这样

我们就可以计算基本差动放大器的

共模抑制比CMRR3

等于

（1+|k3d|）/4δ

从上式可以看出

基本差动放大器的共模抑制比

取决于电阻的匹配精度

还可以看出

基本差动放大器的

差模增益k3d越大

其共模抑制比越高

实际中

为了保证精度

通常使R₃、R₅、R₄、R₆四个电阻值相同

此时k3d等于1

我们让前级的同相并联差动放大电路的

差模增益高一些

这样能提高整个电路的共模抑制比

此时我们来求

仪用放大电路的总的差模增益

仪用放大电路的总的差模增益

为两级差模增益的乘积

即为kd=k12d*k3d

我们再分析

电路总的共模增益

由于对地输出时

前级差动输出的共模增益为

以下式子，由于对地输出时前级差动输出的

共模增益为k12c

此时为1，所以

仪用放大电路的总的共模增益

kc为两级共模增益乘积

结果为k3c

虽然前级放大电路也就是

同相并联差动放大器

在差动输出时的共模抑制比为无穷大

但并不意味着整体电路的

共模抑制比为无穷大

因为前级电路原封不动的把

共模信号传递到后级电路

即前面推导的k12c为1

从这个角度可以认为，前级电路的

共模抑制比CMRR12

和整体的电路的共模抑制比

CMRR总分别为

以下两个式子

分析完总的共模抑制比后

我们再来看如何设计

仪用放大电路的总共模抑制比

A.基本差动放大器的电阻匹配精度

基本上决定了仪用放大器的总共模抑制比

因此

必须挑选高精度电阻

B.差模增益主要由前级电路承担

而基本差动放大器的增益设定为1

这样基本差动放大器的电阻只需取一个值

容易匹配且品种单一

工艺性好，容易保证一定的共模抑制比

C.只要不让信号

包含噪声

超出电路的动态范围

尽可能提高前级电路的差模增益

理论上前级放大器中的电阻阻值

没有任何匹配精度的要求

我们再分析一下

此电路的输入电阻

对于同相并联差动放大电路中

每一个放大器都是同相放大电路

因此输入电阻

均为

rin=ri（1+AF）

A为开环增益

F为反馈系数

因而

差模输入电阻

rid=2rin

共模输入电阻

ric=1/2rin

最后我们总结一下仪用放大器的特点

1.在满足电阻匹配时

能对差动信号放大且增益可调

2.在满足电阻匹配时

电路具有较高共模抑制比

3.差动输入阻抗高

我们再回到本节开始提到的工程案例

利用仪用放大电路

我们就可以放大差动的心电信号

放大倍数是容易调节的

同时

电路具有高共模抑制比

可以抑制共模干扰信号

而且电路具有较高的输入电阻

对人体电阻进行匹配

有利于心电信号的放大

从以上的分析中

我们知道基本差动放大器的电阻匹配精度

基本上决定了仪用放大器的

总共模抑制比

工业中把四个电阻进行激光矫正

阻值做成较高精度的一致

这样使得整个电路的性能得到很大的提高

ina128就是工业中

常用的一个集成仪用放大电路

最后我们对本节进行一下总结

1.仪用放大器的共模抑制比完全取决于

两个差动通道的准确配对

2.并联差动同相放大器具有特别突出的优点

其共模抑制比为无穷大

且与外围电阻的阻值

无关

3.在设计三运放放大电路时

尽可能提高前级的差模增益

后级的差模益取为1

这样可以使得外围四个电阻的阻值相同

从工艺上容易保证

从而提高电路的性能

本节就讲到这里，再见