仪表放大器电路分析

仪表放大器电路设计与比较

智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫

伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是

采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同

时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能

的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。下面从仪表放大器电路的结构、

原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的

特点，为学生进行电子电路实验提供一定的参考。

1．仪表放大器电路的构成及原理少年的拼音

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。

2．仪表放大器电路设计

1）仪表放大器电路实现方案

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2所示。

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。

2）性能测试与分析

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激励故事 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

是由办公室日常工作 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，改进价值观的作用 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，白羊座和狮子座 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性能。