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测量放大器汇总
测量放大器
摘要：
放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。
用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。
测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。
通常，测量放大器多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能指标，但不便于实现增益的预置与数字控制，同时价格较高。
为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。
提高了测量放大器的性能指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。
本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求.。
测量放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调已实现对比较大的范围的被测信号的测量。
测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大
2.1设计任务
设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。
参见图1。
输入信号VI取自桥式测量电路的输出。
当R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。
R2改变时，产生VI≠0的电压信号。
测量电路与放大器之间有1米长的连接线。
2.2测量放大器的设计
2.2.1设计内容及要求
a.差模电压放大倍数AVD＝1～500，可手动调节；
b.最大输出电压为±10V，非线性误差<0.5％；
c.在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比KCMR>105；
d.在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V；
e.通频带0～10Hz
2.2.2设计原理
原理概述:
放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。
测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。
测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。
差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。
标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。
它们通常不需要外部反馈网络。
测量放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎
没有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成,而且
放大器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增和第二级电路的共摸抑制比的乘积。
在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引入的误差。
为了抑制干扰，运放通常采用差动输人方式。
对测量电路的基本要求是：
1高输人阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。
2高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。
3高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。
以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种：
同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器，高共模抑制测量放大器
用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。
用集成运算放大器放大信号的主要优点:
（1）电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系.
（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。
（3）运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。
又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。
运算放大器组成的放大电路，按电路的性质可分为反相放大器，同相放大器和差分放大器三种。
按输入信号性质又可分为直流放大器和交流放大器两类。
差分放大器分为
（1）单端输入、单端输出
（2）双端输入、单端输出（3）单端输入、双端输出三种，而双端输入、单端输出型差动放大器常用于多级差分放大电路的中间极或末极。
测量放大器系统组成的框图如下图所示。
系统包括桥式电路、信号变换
放大器电路，直流电压放大器和直流稳压电源。
图中K置2的位置，测直流电压放大器频率特性；K置1的位置，测直流电压放大器的其他性能指标。
测量放大器系统各个组成部分作用和指标：
桥式电路：
提供差动电压用来测试直流电压放大器的主要性能指标。
信号变换放大器：
把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大器的双端输入信号。
直流电压放大器：
要求差动输入的直流电压放大器，具有高的差模电压增益，并具有低漂移，低噪声输出及高共模抑制比等特性。
测试其差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。
直流稳压电源：
该电源由单相220V交流电压供电，输出±15V直流电压，作
为整个系统的电源
2.2．3设计方案及实现
方案论证与比较
同相并联式高阻抗测量放大器电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优点。
线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输人电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需精密匹配电阻。
后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻精度则要求匹配。
增益分配一般前级取高值，后级取低值。
图一
该测量放大器由运放U1和U3按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U2组成第二级差分放大电路。
方案二
低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入阻抗高，放大倍数可调；是共模抑制比较小，实测只有104，共模抑制能力太差
图二
对测量电路的基本要求是：
1高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。
2高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。
3高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。
以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种：
同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器。
抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载的需要，电路如图一所示。
它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿，以及输出不包含共模信号等优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下降。
方案一比方案二的抑制共模能力强，故采取方案一
2.3.1桥式电路
桥式电路如下图所示。
桥式电路四臂由三个电阻和一个电位器构成，并有±15V供电。
改变电位器R2就可以改变输出电压Vi，经1米的屏蔽线，由开关K接到直流电压放大器，作为直流电压放大器测试信号源。
2.4.1信号变换放大器信号变换放大器主要功能是将函数发生器的单端输入Vi1变换成直流电压放大器的双端输出Vo。
设计并制作一个信号变换放大器，参见图四。
将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。
图四
设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真的转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。
为了使信号不失真，就需保证电路的对称性。
图五
同相放大器A1的电压增益Vo1/Vi=1，反相放大器A2的电压增益Vo2/Vi=-1/2，则总增益
Vo/Vi=（Vo1－Vo2）/Vi=1下面推导信号变换放大器的电压增益关系式：
对同相放大器（既电压跟随器），电压增益Vo1/Vi=R1/（R1+R3）=1/2当R1=0时：
Vo1=Vi对反相放大器，电压增益
Vo2/Vi=-R2/R1当R2=R5=10Ωk时：
Vo2=-Vi反相放大器同相端对地电阻R4为平衡电阻。
总增益Vo/Vi=1。
2.5差动放大器
2.5.1设计内容及要求
a.差模电压放大倍数AVD＝1～500，可手动调节；
b.最大输出电压为±10V，非线性误差<0.5％；
c.在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比KCMR>10
d.在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V；
e.通频带0～10Hz
2.5.2电路设计及原理
差模电压增益：
Avd＝（1＋2R2/R1）R7/R4
若取R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ,
Avd＝17.3
取R1=400Ω时，Avd=1+2*100*1000/400=5010
取R1=8kΩ时，Avd=1+2*100*1000/8000=260
R4是调零电位器。
集成运算放大器U1、U2、U3、U4、U5采用OP07其共模抑制比高、低噪声、高精度。
2.6.1放大器性能测试
放大器性能测试：
首先调零，将输入端短接，即将输入信号置零，调节各个电位器的调零电阻，直至输入电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用万用表测电桥的输出电压，手动调节可变电位器，直至电桥的输出电压为5mv，然后用1米长的导线将电桥与放大器连接，用示波器观察测量放大器的输出波形。
对于测量放大器放大倍数的测量，设置放大倍数然后用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的输出电压，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大倍数比较。
测量放大器的频率响应测试：
首先对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，即输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端合理设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，得到不同频率下的放大倍数。
10
2.7仿真结果和分析
2.7.1各部分的仿真结果
信号变换放大器仿真图
11
差动放大器仿真原理图
R1=100kΩ时的输出波形仿真图
12
R1=8kΩ时的输出波形
2.7.2电路总图的仿真结果
电路总图
13
输入信号：
f=100Hz，u=3.53mVRMS不同输入信号对应的最大放大倍数：
输入信号:
f=100Hz,u=0.353mVRMS，A总vd=1551输入信号:
f=1kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=718输入信号:
f=10kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=555输入信号:
f=20kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=418输入信号:
f=50kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=164输入信号:
f=80kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=78.5输入信号:
f=100kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=55输入信号:
f=110kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=46输入信号:
f=120kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=41输入信号:
f=150kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=27.4
14
输入信号:
f=200kHz,u=3.53mVRMS，A总vd=16
2.8主要电路参数计算
2.8.1通频带的计算
压摆率是指在额定的满幅度输出条件下，运放输出电压的最大变化幅度，以Sr表示，即
dV0/dt=awcoswt,Sr=│dV0/dt│max=aw
题目要求输出电压为10V，通频带0～100Hz，则压摆率至少要达到
Sr=10×100×2π=6.28×10-3V/μS,
使用的OP07的压摆率为Sr=0.17×106V/μs，理论运放的通频带为f=Sr/2πa=0.17×106/10/2π=2.7×103Hz由于加了低通滤波，通频带为
f=1/（2πRC）=1/（2π×200×0.002×10-3）≈398Hz所以系统的理论通频带为0～398Hz
2.8.2放大倍数计算
差模电压增益
Avd＝（1＋2R2/R1）R7/R4
若取R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=10kΩ,
Avd＝17.3
取R1=400Ω时，Avd=1+2*100*1000/400=5010
取R1=8kΩ时，Avd=1+2*100*1000/8000=260
2.9.1收获和体会
15
2.10.1元件清单
标号
元件名称
数值
个数
U1
OP07芯片
1
U2
OP07芯片
1
U3
OP07芯片
1
U4
OP07芯片
1
U5
OP07芯片
1
R1~R5
电阻
10k
5
R6
电位器
100k
1
R7
电阻
50k
1
R8
电阻
10K
1
R9
电阻
20K
1
R10
电阻
51K
1
R11~R14
电阻
10K
4
2.11.1元件介绍
运放介绍：
OP07
16
OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+
ABSOLUTEMAXIMUMRATIN最G大S额定值
Symbol符
号
Parameter参数
Value
值
数
Unit单位
VCC
SupplyVoltage电源电压
±22
V
Vid
DifferentialInputVoltage差分输入电压
±30
V
Vi
InputVoltage输入电压
±22
V
Toper
OperatingTemperature工作温度
-40
+105
to
℃
Tstg
StorageTemperature贮藏温度
-65
+150
to
℃
电气特性：
虚拟通道连接=±15V，Tamb=25℃（除非另有说明）
2.12.1主要参考文献
【1】《电子技术基础（数字部分）》.北京.高等教育出版社.2006
【2】《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
【3】《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
【4】《1999年全国电子竞技大赛试题分析》人民邮电出版社
【5】《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社
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