傳感器技術(shù)課程中儀表放大器的應(yīng)用和教學(xué)

董祺圣

【摘 要】在高職類電子專業(yè)的《傳感器技術(shù)》課程中，模擬傳感器中電壓信號的放大是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。這類放大電路與傳統(tǒng)由運(yùn)放或晶體三極管構(gòu)成的基本放大電路有何不同？很多學(xué)生學(xué)完整門課程都不甚理解。本文以三運(yùn)放的儀表放大電路入手，分析其性能和特點(diǎn)，深入講解如何有效的放大小信號，以及如何應(yīng)用此類電路。

【關(guān)鍵詞】差分放大；共模抑制；差模信號

中圖分類號： TN72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0198-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.092

0 引言

隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器的應(yīng)用場合也越來越廣。由于模擬傳感器件所產(chǎn)生的信號非常微弱，通常只有mV級別，要想有效的放大mV級別的信號，必定需要高共模抑制比的放大電路。儀表放大器就是其中的一種放大電路，它被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、音響、精密儀器中。儀表放大電路主要可以分為由分立元器件和集成芯片構(gòu)成。本文以獨(dú)立三運(yùn)放構(gòu)成的儀表運(yùn)放為例，分析它如何抑制共模信號和放大差模信號，以及其電路特點(diǎn)。

采用差分方式的輸入，它不依賴于基準(zhǔn)地作為信號輸入端，有效避免了地線電位的不一致導(dǎo)致輸入信號的干擾。它的每根信號線只要接各自的放大電路，并保證電路結(jié)構(gòu)的對稱和放大倍數(shù)的一致，即可在電路輸出就可得到準(zhǔn)確的信號。如果利用單獨(dú)的晶體管組成放大電路，比較難精確保證放大電路性能和參數(shù)的對稱。因?yàn)槊總€(gè)晶體管參數(shù)及溫升后的參數(shù)不盡相同。

運(yùn)算放大器具有精確的放大增益和高輸入阻抗等優(yōu)勢，所以非常普遍的運(yùn)用在小信號的差分放大電路中，下圖為由三運(yùn)放組成的儀表放大電路。

1 電路結(jié)構(gòu)

運(yùn)放在選型時(shí)，需要盡量選用高共模抑制比、低噪聲、低輸入失調(diào)電壓的型號。同時(shí)在對電阻選型時(shí)，也要選擇偏差為±0.1%的高精度電阻，因?yàn)殡娮枳柚滴⑷醯钠睿瑫?yán)重降低電路的共模抑制比。U1A和U1B組成信號v1和v2的輸入緩沖隔離級，主要作用提高放大電路的輸入阻抗，并將傳感器與后級電路隔離。U1C構(gòu)成的減法器，將U1A和U1B的輸出信號進(jìn)行減法運(yùn)算。此電路如何抑制共模信號的具體過程如下。

就三運(yùn)放和雙運(yùn)放組成的儀表放大器有各自的特點(diǎn)：雙運(yùn)放從結(jié)構(gòu)上簡化，從而節(jié)約電路的成本。然而，這種簡化使得電路的不對稱，最終勢必降低了共模抑制比。同時(shí)，輸入信號Ui1經(jīng)由第一級運(yùn)放輸出為Uo1，Uo1與Ui1和Ui2相比會有一定的信號延時(shí)，在延時(shí)階段會在Uo斷形成短暫的共模誤差，并且這種誤差會隨著輸入信號頻率的增大而增大。

【參考文獻(xiàn)】

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