傳感器技術課程中儀表放大器的應用和教學

董祺圣

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

【關鍵詞】差分放大；共模抑制；差模信號

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

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.092

0 引言

隨著傳感器技術的飛速發展，傳感器的應用場合也越來越廣。由于模擬傳感器件所產生的信號非常微弱，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，它被廣泛應用于醫療設備、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成。本文以獨立三運放構成的儀表運放為例，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。

采用差分方式的輸入，它不依賴于基準地作為信號輸入端，有效避免了地線電位的不一致導致輸入信號的干擾。它的每根信號線只要接各自的放大電路，并保證電路結構的對稱和放大倍數的一致，即可在電路輸出就可得到準確的信號。如果利用單獨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的對稱。因為每個晶體管參數及溫升后的參數不盡相同。

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

1 電路結構

運放在選型時，需要盡量選用高共模抑制比、低噪聲、低輸入失調電壓的型號。同時在對電阻選型時，也要選擇偏差為±0.1%的高精度電阻，因為電阻阻值微弱的偏差，會嚴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構成的減法器，將U1A和U1B的輸出信號進行減法運算。此電路如何抑制共模信號的具體過程如下。

就三運放和雙運放組成的儀表放大器有各自的特點：雙運放從結構上簡化，從而節約電路的成本。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，輸入信號Ui1經由第一級運放輸出為Uo1，Uo1與Ui1和Ui2相比會有一定的信號延時，在延時階段會在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】

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