智能化傳感器中應用儀表放大器的電路設計解析

喬紅霞

摘 要：儀表放大器在智能化傳感器有著廣泛的應用，具有高輸入阻抗性、高共模抑制比、低漂移等特點，特別是在智能化傳感器輸出的小信號放大領域得到了廣泛的應用。文章在闡述智能儀表放大器結構、原理的基礎上，分析智能化傳感器中應用儀表放大器的電路設計，并對其應用注意事項進行分析。

關鍵詞：智能化傳感器；儀表放大器；電路設計；應用

智能化傳感器中應用儀表放大器能夠有效收集和放大各種數據信息同時對共模信號還具有抑制的功能，但是在實際應用的時候需要充分考慮輸入共模電壓范圍、增益選擇、放大的差模信號頻率、濾波、偏置電流等設計問題。智能儀表儀器輸入的傳感器信號，一般都具有微小的特征，信號幅度比較小，且在應用的時候還會出現噪聲。文章結合儀表放大器結構和原理特點，結合實際具體分析儀表放大器的設計，結合每個電路的特點來為電路實驗操作和設計提供重要的支持。

一、智能化傳感器中儀表放大器的構成原理

儀表放大器的結構具體如圖所示。經過圖發現，儀表放大器主要由兩級差放大器電路共同構成，同相差分的輸入方式是A1和A2，通過同相輸入能夠在很大程度上提升電路的輸入阻抗，減少電路對微小信號的衰減。經過不同的差入輸入能夠讓電路對差模型信號進行放大處理，同時對共模輸入信號起到的重大作用是跟隨，從而讓送到后級差模信號和共模信號幅度值，也就是共模抑制比得到提升，在CMRR要求不發生變化的情況下，可結合實際適當的降低電阻精確匹配要求，從而讓儀表放大器線路比一般的差分放大線路具有更強大的共模抑制能力。

二、儀表放大器的電路設計

·智能化儀表放大器電路實現方案

現階段，智能化儀表放大器的實現方式分為兩種，一種是分立元件組成實現，另外一種是單片集成芯片作用實現。結合現有的元器件，具體以單運放和集成四運放為關鍵，結合具體實踐設計出四種儀表放大器電路方案。第一，由三個通用運放組成的三運放儀表放大器電路，并配合電阻外圍電路、A1和A2，將同相互信號段的橋式信號輸入到相應的電路中。A1、A2和A3可應用LM741這種通用型運放替代。電路操作原理和構成和一般情況下應用的儀表放大器相同。第二，應用三個精確密度運放組成。第三，應用四運放集成電路為關鍵來實現，能夠將四種功能的獨立運放集成在一個芯片中，減少因為運放和制造工藝不同帶來的器件性能差異，同時應用統一的電源能夠在很大程度上降低電源本身的噪聲。第四，應用單片集成芯片實現，具有電路操作結構簡單、對電源要求低等方面的特點，在應用工作電源的情況下就能實現操作，設計效率和應用效率良好。【1】

·智能化儀表放大器性能測試分析

智能化儀表放大器電器電路的四種方案中應用的都是電阻組合而成的電橋電路形式，具體是將差分信號輸入轉變為單端的信號源V。智能化儀表放大器性能測試主要是從信號源的最大輸入轉變為最小輸入，具體轉變的數據信息如表一所示。智能化儀表放大器性能測試最大和最小輸入主要是指在給定的測試條件下，在電路信息輸入輸出不失真的情況下來進行信號源的輸入操作。仿真性的智能化儀表放大器性能要比一般測試性能高，在應用的時候不會受到外界的干擾。但是在實際測量中一般結合應用仿真測試和實際測試，先通過仿真測試確定電路結構和參數信息，之后通過實際電路測試對其性能指標和參數信息設置問題進行調整，在保證電路功能的基礎上提升電路設計總體效率。

·智能化儀表放大器電路設計需要注意的問題

·智能儀表放大器的共模范圍

在對智能儀表放大器內部結構分析之后發現，共模電壓的輸出電壓是相同的，差模電壓一般出現在增益電阻上，在電流經過之后智能儀表放大器會出現反饋電阻。因此可以證明，在輸入一定的差模電壓之后，反饋電阻電壓范圍會發生相應的變化。在輸入的共模電壓比電源電壓1.25V小的時候會達到理想狀態的共模抑制比，因而在共模電壓比較大的額時候需要選擇較高電壓的智能儀表放大器。【2】

·智能化儀表放大器共模電壓的頻率范圍

共模電壓的頻率越高，最終所能夠體現的抑制效果就越不好，并隨著頻率的增加不斷惡化這種情況。如果智能儀表放大器在100Hz的情況下很平坦，在頻率超過100Hz的時候，智能儀表放大器就會快速的下降，這種現象的出現不僅不會抑制高頻共模喜好，而且還會讓共模信號失去調節的作用。因而對于RF干擾性強的場合，要盡可能選擇共模抑制頻率范圍 強的儀表放大器。同時，要將高頻噪聲在達到精密智能化儀表放大器之前對其進行過濾操作。

·智能化儀表放大器的差模放大倍數

在理論下，調節智能化儀表放大器的增益就能將差模進行放大處理。但是實際上放大的差模和被測試的信號頻率存在很大的關聯。在被測試信號頻率高的時候，增益的倍數會在無形中降低。在輸入的信號頻率是10kHz的時候，增益的效果不會超過80倍。智能化儀表放大器的設置可以參照各種類型儀表放大器的增益寬指標，在增益高的時候儀表放大器外接電阻會降低。【3】

·輸入偏置的電流回路設計

在偏置電流回路設計的時候，主要是指在智能儀表放大器的輸入端口中加入所需要的偏執電流。智能化儀表放大器的偏置電流分成多個納安的形式，加上智能儀表當大氣輸入阻抗能力強，偏置電流會隨著電壓的輸入變小，因此需要根據不同的適用場合來選擇偏執電流回路接地形式。

結束語

綜上所述，智能儀表放大器具有高精確度、低功耗、共模抑制性比較高的特點，被人們廣泛應用在數據采集和放大中，智能儀表放大器能夠對差分信號進行放大處理，對共模信號進行抑制。這個過程中需要考慮輸入的共模電壓范圍、增益選擇問題。文章在闡述儀表放大器電路結構、原理的基礎上，通過仿真測試和實際性能測試分析了四種類型的放大器電路，總結出各自的優缺點，并討論智能化儀表放大器在應用操作中需要注意的問題，旨在為相關人員設計儀表放大器提供重要的思路和意見參考。

參考文獻：

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[3]Don LaFontaine. 儀表放大器：傳感器應用的理想電路[J]. 中國電子商情（基礎電子），2016，08：25-29.