仪表放大器电路设计

东北石油大学 课 程 设 计 课 程 电子技术课程设计 题 目 仪表放大器电路设计 院 系 电气信息工程学院自动化系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2010年7 月 10 日 东北石油大学课程设计任务书 课程 电 子 技 术 课 程 设 计 题目 仪表放大电路设计 专业 自 动 化 姓名 学号 主要： 根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种在阐述 仪表放大器电路结构、原理的基础上，基于不同电子元器件的四种仪表放大器电路实现 。通过实际电路性能指标的测试、、比较，总结出各种电路方案的特点。 基本要求： , 仪表放大器：能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好连续工作时间： 一组5号干电池可连续工作40h（小时）。 , 放大的最主要目的：不是增益，而是提高电路的信噪比。 主要参考资料： [1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001. [2] 冯民昌.模拟集成电路系统[M].中国铁道出版社,1998. [3] 赵保经.中国集成电路大全[M].国防工业出版社,1985. [4] 王文秀.电子元器件[M].人民邮电出版社,1985. [5] 张凤言.电子电路基础[M].北京：高等教育出版社，1995 [6] 电子电路百科全书编辑组. 电子电路百科全书[M].北京：科学出版社.1988 [7] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社，1997. [8] 李哲英等．实用电子电路设计[M]．北京：电子工业出版社,1997. 完成期限 2010.7.5-7.11 指导教师 专业负责人 2010年 7月 4日 目 录 1 任务和要求 ........................................................... 1 2 总体方案设计与选择 ................................................... 1 2.1仪表放大器电路的构成及原理 ....................................... 1 2.2仪表放大器电路设计 ............................................... 2 2.2.1仪表放大器电路实现方案 ...................................... 2 2.2.2性能测试与分析 .............................................. 4 3. 电路总原理框图设计 ................................................... 7 4 单元电路设计 .......................................................... 8 4．1 对最低限失调电压漂移的设计 ...................................... 8 4．2对最低限增益漂移的设计 .......................................... 8 4．3 实际解决方案 .................................................... 9 5 设计总结 ............................................................ 10 参考文献 ............................................................... 11 附 录 .................................................................. 1 电子技术课程设计（） 1 (1)任务：在阐述仪表放大器电路结构、原理的基础上，基于不同电子元器件设计 四种仪表放大器电路实现方案 (2)要求： 共模抑制比(CMRR): CMRR 典型值为70～100 dB 以上; 仪表放大器:必须具有极高的输入阻抗, 其典型值为109～1012Ω. 噪声：噪声要求小于10 nV/ Hz. 线性误差：0. 01 % ,甚至低于0. 0001 %. 2 2.1 仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中， 运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电 路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号 只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。 这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单 的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。 在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。 1 电子技术课程设计（报告） IO1 IO3 IO2 图1 仪表放大器典型结构 2.2 2.2.1 目前，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，文中分别以单运放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，如图所示。 图2由单运放组成的仪表放大器 2 电子技术课程设计（报告） 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A13620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。 V20V3oV3in+V3in+ V2in+V3in-V+V-Vlin+V4in+Vlin-V4in- Vl0V4o 图3 由LM324组成的仪表放大器 3 电子技术课程设计（报告） V-REF-INOUT +INV+RgRg 图4 由AD620实现仪表放大器 2.2.2 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 4 电子技术课程设计（报告） 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 挥电路的特性。 仿真数据 测试对象 Vs最大输入 Vs最小输入 最大增益 Kcmrr Vs=100μV，测试条件 f=25Hz,G=4100 Rp=5000Ω Vcm=10V Rp=5KΩ 方案1 15.2mV 2μV 204 204 123dB 5 电子技术课程设计（报告） 方案2 14.4 mV 50nV 267 267 160 dB 方案3 – 2μV - 方案4 14.8 mV 2μV 60 60 145 dB 实测数据 测试对象 Vs最大输入 Vs最小输入 最大增益 Kcmrr Vs=100μV，测试条件 f=25Hz,G=4100 Rp=5000Ω Vcm=10V Rp=5KΩ 方案1 13mV 2mV 16 250 98dB 方案2 17mV 1mV 23 250 117dB 方案3 17mV 2mV 19 750 99 dB 方案4 17mV 1mV 14 250 110dB 6 电子技术课程设计（报告） 3. u,uu,uAr1,Br2 R2u,u,u,u,u,(u,u)r1r2ABAB01022R，R12 2R1u,u,(1，)(u,u)0102r1r2R2 Rf U01 R A1 R1 A3 R2 U0 B R1 R Rf A2 u12 图5 电路总原理框图 所以输出电压 ffRR12Ru,,(u,u),,(1，)(u,u)rr0010212RRR2 u,u,uqrr12 R2Rf1u,(1，)uq0RR2 当时，由于u,u,uu,u,uu,0，R中电流为零时，，输出电压，可见，2r1r2q0102q0 电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信 号中含有共模噪声时，也将被抑制。 7 电子技术课程设计（报告） 4 41 失调电压漂移误差不仅包括那些与使用的有源器件(IC仪表放大器或采用运放组成分立的仪表放大器)相关的误差，而且包括电路元器件或布线中的热电偶 效应。仪表放大器的输入偏置失调和输入失调电流流过不平衡的源阻抗也会产生附加的失调误差。在 用单独的运放组成的仪表放大器设计中，这些误差随温度增加， 除非使用精密运放。 42 当考虑增益误差时，经常忽视PCB布线，电路的温度梯度，以及任何外部增益电 阻器的特性对增益误差的影响。如果需要高DC精度，增益电阻器的最大允 许误差，它的温度系数，该电阻器相对于同一增益网络中其他电阻器的物理位置，以及甚至其物理 方向(垂直或水准)都是重要的设计考虑。 在许多ADC前置放大器电路中，仪表放大器的增益通过一个用户选择的外部电阻器 来设置，因此这只电阻器的最大允许误差以及它对温度的变化，就像IC 内置的电阻器一样会影响电路的增益精度。常用的电阻器包括通孔插装的1% 1/4W金属薄膜电阻器和1% 1/8W晶片电阻器。这两种类型的电阻器具有典型的100ppm/?温度系数(TC)。但是，有些晶片电阻器会具有200ppm/?或甚至 250ppm/?的TC。 甚至在使用1% 100ppm/?的电阻器时，仪表放大器的增益精度也会下降。电阻器的 初始室温精度仅为?1%，对于每?的温度变化，电阻器会漂移0.01% (100ppm/?)。初始增益误差很容易利用软件方法减去，但是为了修正对温度的误差，需要不断重新校准 (并且包括温度传感器)。 如果电路经过初始校准，对于10?温度变化，总增益精度减小到大约10bit(0.1%)精度。因此甚至在12bit ADC前端，也从未使用外接1%金属薄膜增益电阻器的仪表 放大器?它会破坏14bit或16bit ADC的精度。 与外部电阻器相关的附加的误差源也会影响增益的精度。首先是由输入信号幅度产生的 电阻器发热导致的误差。 8 电子技术课程设计（报告） R1G,1，,100R2+ - R,9.9K,,1/4W1 R,1K,,1/4W2 图6 输入信号幅度引起增益误差的例子 43 概括起来，单片仪表放大器使用外部电阻器时会产生许多DC失调和增益误差。分立设计往往会出现更大的误差。对于这个问题有三种实际解决方案?采用优质的电阻 器，使用软件修正，最好的方案仍然是采用所有增益电阻器都在片内的仪表放大器，例 如AD621。 方案1?采用优质的增益电阻器 通常，假定经过一些初始校准，使用普通的1%电阻器仅可能获得12bit或13bit的增益性能。解决这个问题的一种有用的方案是采用优质的电阻 器。采用0.1% 1/10W表面安装电阻会显著提高性能。除了具有提高10倍的初始精度，其TC典型值仅25ppm/?，在10?温度范围内会提供优于13bit的精度。 如果需要更高的增益精度，有专业公司出售的具有较低TC的电阻器，但通常都是很贵的军品。 方案2?采用固定增益的仪表放大器 到目前为止，采用所有电阻器都包含在IC内的单片仪表放大器(例如，AD621或AD8225)可提供最佳的总体DC性能。这样，所有电阻器都具有相同的TC，都处于实际上相同的温度，并且晶片的任何温度梯度都非常小，所以保证增益误差漂移并且达到非常高的标 准。 在增益为10的条件下，AD621保证具有小于2.5μV/?的DC失调漂移最大值和?5ppm/?增益漂移最大值，即仅0.0005%/?。 AD8225是一种固定增益为5的仪表放大器。它具有2μV/?失调漂移最大值和0.3μV/?漂移最大值。 9 电子技术课程设计（报告） 5 本学期我们开设了《模拟电子电路》，与我们的专业也都有联系，且都是理论方面的 指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这 样不仅能加深我们对电子电路的任职，而且还及时、真正的做到了学以致用。通过为期 一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足， 自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现 实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获， 也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的 问题，要比考试的时候考虑的多的多。 本次课程设计所设计的仪器放大电路符合设计要求，在具体讨论仪表放大器电路结 构、原理的基础上，设计了四种仪表放大器电路。通过仿真与实际性能测试，分析、总 结出四种方案的特点，设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么 什么样的功能。另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。本次课程设计要求多学科 知识综合应用，锻炼了设计者的动手能力，加深了对各个学科的理解和掌握 通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考 虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。 而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样课程设 计、类似这样的锻炼机会能更多些! 10 电子技术课程设计（报告） 参考文献 [1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001. [2] 冯民昌.模拟集成电路系统[M].中国铁道出版社,1998. [3] 赵保经.中国集成电路大全[M].国防工业出版社,1985. [4] 王文秀.电子元器件[M].人民邮电出版社,1985. [5] 张凤言.电子电路基础[M].北京：高等教育出版社，1995 [6] 电子电路百科全书编辑组. 电子电路百科全书[M].北京：科学出版社.1988 [7] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社，1997. [8] 李哲英等．实用电子电路设计[M]．北京：电子工业出版社,1997. 11 电子技术课程设计（报告） 附 录 仪表放大器的特点 ? 高共模抑制比 共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d) 与共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值为 70～100 dB 以上。 ? 高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗 都很高而且相互十分平衡，其典型值为 109～1012Ω. ? 低噪声 由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪 声加到信号上，在 1 kHz 条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于 10 nV/ Hz. ? 低线性误差 输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺 陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0. 01 % ，有的甚至低于 0. 0001 %. ? 低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分 别为 100μV 和2 mV. ? 低输入偏置电流和失调电流误差 双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅极电流，这个偏置 电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流 典型值为 1 nA～50 pA ；而 FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50 pA. ? 充裕的带宽 仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz～4 MHz 之间。 ? 具有“检测”端和“参考”端 1 电子技术课程设计（报告） 仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降( IR) 的影响可减至最小。 2 东北石油大学课程设计成绩评价表 课程名称 电 子 技 术 课 程 设 计 题目名称 仪表放大器电路设计 指导教 学生姓名 学号 职称 师姓名 序号 评价项目 指 标 满分 评分 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工工作量、工作态1 作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出 度和出勤率 勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析 2 课程设计质量 问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规 范，图表完备正确。 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或3 创新 有一定应用价值。 4 答辩 能正确回答指导教师所提出的问题。 总分 评语： 指导教师： 年 月 日