仪表放大器的工作原理 - 弱信号放大电路的设计

2．1 仪表放大器的工作原理
    标准三运放仪表放大器的电路如图4所示。该电路可以提供两输入端匹配的高阻抗，使得输入源阻抗对电路的CMR影响最小。其中A1和A2运算放大器用于缓冲输入电压，A3构成差分放大电路。

    如图4所示电路，如果R5=R6，R1=R2且R3=R4，则
    u0=(ui2-ui1)(1+2R5／RG)(R3／R1)
    如果A1和A2使用的是相同的运算放大器，则它们的共模输出电压和漂移电压相等，加到A3差放后，将被相互抵消，因而整个电路具有很强的共模抑制能力，很小的输入失调电压和较高的差模电压增益。
2．2 电路原理图
    根据仪表放大器的原理，设计出利用TLC2652构成的弱信号放大电路如图5所示。

 

    如图5所示电路，利用两片TLC2652来实现输入缓冲，TLC2652有极其微小的输入失调电压，且共模输出电压相等，利用低噪声、低输入偏置电流OP1177作为差分放大电路。电容C1、C2、C3、C4接到TLC2652的CxA和CxB引脚作为记忆电容存储失调电压，以实现校零。电容C5、C6、C7、C8、C9作为电源滤波电容，用于滤除高频干扰。根据仪表放大器的工作原理知该电路的增益G=(1+2X300／2)(100／10)=3010。

3 仿真分析
    依据该弱信号放大电路，在Multisim10．0软件中搭建电路进行了仿真分析。设输入信号的频率为60 Hz，ui1和ui2幅度均为10μVp，利用Transient Analysis，可以得到电路的输出波形如图6所示。拖动标尺，可以计算出此时的电路增益G约为3 000，即69．5dB。
    运行Analysis下的ACAnalysis，得到如图7所示的频率特性曲线。从该图中我们可以看到该放大电路在中低频率情况下幅频特性和相频特性都比较平稳。通过拖动标尺，可以得到该电路的带宽约为300Hz。

 

    利用Multisim软件仿真测量还可以得到该电路的输入电阻很大，约为几十MΩ；输出电阻很小，小于1Ω；共模抑制比可以达到60dB以上；电路失真率小于0．05％；在300Hz的带宽内频率稳定度小于0．02％。

4 结束语
    本文针对低频信号利用TLC2652设计了一个弱信号放大电路，并且利用Multisim软件进行了仿真分析，分析结果表明各项指标都达到了设计要求，在实践中有一定的应用价值。但是做成实物电路还必然会引入部分噪声，例如PCB板的布线、材料的选择都需要注意。