一般模拟信号在进入A/D采样前，需要先进行信号调理，模拟信号放大部分需要着重设计。放大电路采用仪表放大器，其能有效抵抗共模干扰且具有很高的输入电阻，有效提高信噪比。
 
以下总结常用的仪表模拟放大电路设计。
 
1、单运放仪表放大器
 
 
2、双运放仪表放大器
 
 
3、三运放仪表放大器
 
 
4、改进三运放仪表放大器
 
 
 
 
各类放大器的优劣，欢迎评论留言~~。

1.运算放大器工作原理综述：
 　　运算放大器组成的电路五花八门，令人眼花瞭乱，在分析运算放大器工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大。本文收集运放电路的应用电路，希望看完后有所收获。但是在分析各个电路之前，还是先回忆一下两个运放教材里必教的技能，就是“虚短”和“虚断”。
 
“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
 
“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。
 
2.运算放大器工作原理经典电路图一
 　　图一运算放大器的同向端接地=0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。流过R1的电流I1 = (Vi - V-)/R1 ……a 流过R2的电流I2 = (V- - Vout)/R2 ……b V- = V+ = 0 ……c I1 = I2 ……d 求解上面的初中代数方程得Vout = (-R2/R1)*Vi 这就是传说中的反向放大器的输入输出关系式了。
 
 
3.运算放大器工作原理经典电路图二
 　　图二中Vi与V-虚短，则 Vi = V- ……a 因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得： I = Vout/(R1+R2) ……b Vi等于R2上的分压， 即：Vi = IR2 ……c 由abc式得Vout=Vi(R1+R2)/R2 这就是传说中的同向放大器的公式了。
 
 
4.运算放大器工作原理经典电路图三
 　　图三中，由虚短知： V- = V+ = 0 ……a 由虚断及基尔霍夫定律知，通过R2与R1的电流之和等于通过R3的电流，故 (V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (Vout – V-)/R3 ……b 代入a式，b式变为V1/R1 + V2/R2 = Vout/R3 如果取R1=R2=R3，则上式变为Vout=V1+V2，这就是传说中的加法器了。
 
 
(编辑者注)质疑：(V1 – V-)/R1 + (V2 – V-)/R2 = (V- – Vout)/R3 ……b 图三公式中少了个负号?
 
5.运算放大器工作原理经典电路图四
 　　请看图四。因为虚断，运算放大器同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电流也相等。故 (V1 – V+)/R1 = (V+ - V2)/R2 ……a (Vout – V-)/R3 = V-/R4 ……b 由虚短知： V+ = V- ……c 如果R1=R2，R3=R4，则由以上式子可以推导出 V+ = (V1 + V2)/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 + V2 也是一个加法器，呵呵!
 
 
6.运算放大器工作原理经典电路图五
 　　图五由虚断知，通过R1的电流等于通过R2的电流，同理通过R4的电流等于R3的电流，故有 (V2 – V+)/R1 = V+/R2 ……a (V1 – V-)/R4 = (V- - Vout)/R3 ……b 如果R1=R2， 则V+ = V2/2 ……c 如果R3=R4， 则V- = (Vout + V1)/2 ……d 由虚短知 V+ = V- ……e 所以 Vout=V2-V1 这就是传说中的减法器了。
 
 
7.运算放大器工作原理经典电路图六
 　　图六电路中，由运算放大器的虚短知，反向输入端的电压与同向端相等，由虚断知，通过R1的电流与通过C1的电流相等。通过R1的电流 i=V1/R1 通过C1的电流i=CdUc/dt=-CdVout/dt 所以 Vout=((-1/(R1C1))∫V1dt 输出电压与输入电压对时间的积分成正比,这就是传说中的积分电路了。若V1为恒定电压U，则上式变换为Vout = -Ut/(R1*C1) t 是时间，则Vout输出电压是一条从0至负电源电压按时间变化的直线。
 
 
8.运算放大器工作原理经典电路图七
 　　图七中由虚断知，通过电容C1和电阻R2的电流是相等的，由虚短知，运算放大器同向端与反向端电压是相等的。则： Vout = -i * R2 = -(R2*C1)dV1/dt 这是一个微分电路。如果V1是一个突然加入的直流电压，则输出Vout对应一个方向与V1相反的脉冲。
 
 
9.运算放大器工作原理经典电路图八
 　　图八.由虚短知 Vx = V1 ……a Vy = V2 ……b 由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，则R1、R2、R3可视为串联，通过每一个电阻的电流是相同的，电流I=(Vx-Vy)/R2 ……c 则： Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3) = (Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2 ……d 由虚断知，流过R6与流过R7的电流相等,若R6=R7， 则Vw = Vo2/2 ……e 同理若R4=R5，则Vout – Vu = Vu – Vo1，故Vu = (Vout+Vo1)/2 ……f 由虚短知，Vu = Vw ……g 由efg得 Vout = Vo2 – Vo1 ……h 由dh得 Vout = (Vy –Vx)(R1+R2+R3)/R2 上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值确定了差值(Vy –Vx)的放大倍数。这个电路就是传说中的差分放大电路了。
 
 
10.运算放大器工作原理经典电路图九
 　　分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测仪表的020mA或420mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图420mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.42V的电压差。由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，则流过R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ……b 由虚短知： Vx = Vy ……c 电流从0~20mA变化，则V1 = V2 + (0.4~2) ……d 由cd式代入b式得(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 ……e 如果R3=R2，R4=R5，则由e-a得Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……f 图九中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout = -(0.884.4)V，即是说，将420mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。
 
 
11.运算放大器工作原理经典电路图十
 　　电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的!
 
 
由虚断知，运算放大器输入端没有电流流过，
 
则 (Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6 ……a
 
同理 (V3 – V2)/R5 = V2/R4 ……b
 
由虚短知 V1 = V2 ……c
 
如果R2=R6，R4=R5，则由abc式得V3-V4=Vi
 
上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。
 
12.运算放大器工作原理经典电路图十一
 　　来一个复杂的，呵呵!图十一是一个三线制PT100前置放大电路。PT100传感器引出三根材质、线径、长度完全相同的线，接法如图所示。有2V的电压加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其线电阻组成的桥电路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各电容在电路中起滤波和保护作用，静态分析时可不予理会，Z1、Z2、Z3可视为短路，D11、D12、D83及各电容可视为开路。由电阻分压知， V3=2R20/(R14+20)=200/1100=2/11 ……a 由虚短知，U8B第6、7脚 电压和第5脚电压相等 V4=V3 ……b 由虚断知，U8A第2脚没有电流流过，则流过R18和R19上的电流相等。 (V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18 ……c 由虚断知，U8A第3脚没有电流流过， V1=V7 ……d 在桥电路中R15和Z1、PT100及线电阻串联，PT100与线电阻串联分得的电压通过电阻R17加至U8A的第3脚， V7=2(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0) ……e 由虚短知，U8A第3脚和第2脚电压相等， V1=V2 ……f 由abcdef得， (V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2 化简得 V5=(102.2V7-100V3)/2.2 即 V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0) – 200/11 ……g 上式输出电压V5是Rx的函数我们再看线电阻的影响。Pt100最下端线电阻上产生的电压降经过中间的线电阻、Z2、R22，加至U8C的第10脚，由虚断知， V5=V8=V9=2R0/(R15+Rx+2R0) ……a (V6-V10)/R25=V10/R26 ……b 由虚短知， V10=V5 ……c 由式abc得 V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)] ……h 由式gh组成的方程组知，如果测出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道温度的大小了。
 

 本文改自：http://forum.eepw.com.cn/thread/196953/1
 图片来自网络

AD620放大器 AD623放大器 仪表放大器 差分放大器 微弱信号放大 原理图和PCB设计
 


 
目录
 
AD620放大器 AD623放大器 仪表放大器 差分放大器 微弱信号放大 原理图和PCB设计
基本原理
芯片选型
原理图&3D-PCB
具体讲解
模块原理图-PDF、原理图库、PCB库下载
 

 
基本原理
 
仪表放大器是差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量以及电子仪器上。特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。
 
芯片选型
 
今天要介绍的是AD620和AD623芯片，一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000（ad623为1000）倍。在管脚上两个芯片是互用的，只是增益的运算公式不一样。AD620的增益G =49.4 kΩ/R G + 1，AD623的增益G =100 kΩ/R G + 1。增益带宽积参数上也是差不多，都在1M以内，基本是用于低频的信号。如需较高增益带宽的仪表放大器可以使用AD8421，但是注意芯片管脚不是兼容的。
 
原理图&3D-PCB
 
AD620的供电范围是大于AD623的，为了兼容AD623芯片我们设计采用了正负5V的供电。由单电源降压后再转换为负电源。
 
 
 
具体讲解
 
1、单端模式下，P1跳线端子插上跳线帽，R3的阻值选用0欧，IN-直接接地，信号从IN+输入，一般单端输入可以使用SMA座子或者IN+和GND输入信号。
 2、单端模式下，R6为IN+的偏置调节电位器，也是单端使用时候的调零电阻。R7,R8选取10K是为了限制偏置的过度调节。
 3、差分输入模式下，需要去掉电位器和P1的跳线帽。输入端的电阻R3,R5和C1，C3，C5构成的是一个低通滤波器，模块实际没有焊接电容，用户可以根据自己需求焊接。
 4、单端和差分模式的放大倍率配置，RG等于R2和R1的并联，实际使用中模块默认为焊接R2固定电阻。如需滑变调节可将R2电阻去掉，焊接R1电位器即可。AD620:G=49.4K/RG+1
 AD623:G=100K/RG+1。
 
 5、芯片的REF脚是输出电压基准，由于芯片是正负电源供电，这里将REF脚接GND，输出的就是以0为中心。如需调节输出基准，这里可以接一个可变电压。
 6、D2二极管是输入防反接的，LM317降压芯片有两点注意，一就是D1是LM317的保护二极管，二就是需要C25的滤波电容可以减小纹波，一般取值为0.1uF到1uF。
 7、转负电源使用的是ICL7660电荷泵芯片，能将正压转为负压，但是会有一定的压降。对于供电电压要求不高的场合还是可以使用的。C9为储能电容，一般采用10uF以上的，特别需要注意的是，C13的极性和容值大小，一般采用10uF以上电解电容。
 
 以下为原文地址，
 
模块原理图-PDF、原理图库、PCB库下载
 
仅供参考：AD620&623资料

 
目录
 
一、仪表放大器的实现原理
二、Multisim实现仪表放大器
2.1、运放的选择
2.2、双电源仿真
2.3、单电源仿真
  
参考

 
一、仪表放大器的实现原理
 
 
  仪表放大器在电路图中是一个运算放大器，但实际上由三个运算放大器组成，根据功能分为两部分。第一部分是右方的运算放大器以及$R_2$和$R_3$是作为输出级的差动放大器，其增益是$R_3/R_2$，这部分的输入电阻是$2\ast R_2$；第二部分是左方的上下两个运算放大器以及$R_1$则是输入级的电压跟随器，用来提升仪表放大器的输入阻抗；$R_g$则是决定仪表放大器的增益电阻，整个电路的增益为$\frac{V_{\text{out }}}{V_2-V_1}=\left(1+\frac{2R_1}{R_{\text{gain }}}\right)\frac{R_3}{R_2}$。当$R_g$移除时（断路），就是单位增益的跟随器，此时整个电路的增益是$R_3/R_2$。
 
二、Multisim实现仪表放大器
 
2.1、运放的选择
 
  运放选择双电源运放（电源正接VCC，电源负接-VCC）。如果选择单电源运放（电源正接VCC，电源负接地），则必须在Ref（图中的GND处）提供一个参考电压（通常是$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$），当做是输出电压的中间值。比如运放供电是+5V和0V，则Ref应该接一个2.5V的参考电压，这样可以保证输出电压最大化可以在0V~5V之间。
 
2.2、双电源仿真
 
  双电源仿真时，运放的供电采用±5V供电，Ref处接地即可。此处设置的仿真是$R_1=R_{\text{Gain}}$，$R_2=R_3$，此时仪表放大器的增益为3，因为输入的$V_{rms}=0.3\mathrm{V}$，所以输出的$V_{rms}=0.9\mathrm{V}$，${\mathrm{V}}_{p-p}=2\sqrt{2}{\mathrm{V}}_{rms}=2.5452\mathrm{V}$。使用探针测量的输出结果如图，有效值为3倍，频率依旧是3KHz。
 
 
  对于双电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（GND-0V），也是0V，因为运放本身存在输入失调电压等原因，输出是-400uV，接近于0V。
 
 
2.3、单电源仿真
 
  单电源仿真时，运放的供电采用5V和GND供电，Ref处接$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$。增益和双电源电路一样都是3倍，只不过输出的信号是以Ref为基准的，所以以GND为基准时，整个信号是有2.5V的DC偏置，所以可以看到$V_{DC}=2.5V$，${\mathrm{V}}_{p-p}=2.5452\mathrm{V}$是不会变化的，因为DC偏置不会改变峰峰值，但是有效值不再是3倍的关系。所以$V_{\text{rms}}\ne 0.9V$。
 
 
  对于单电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（VDD-2.5V），是$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$即直流，这是与双电源供电不同的地方，所以单电源电路的增益公式变为$\frac{V_{\text{out }}-V_{Ref}}{V_2-V_1}=\left(1+\frac{2R_1}{R_{\text{Gain }}}\right)\frac{R_3}{R_2}$，因为双电源的$V_{Ref}=0V$，所以这个公式也适用于双电源。
 
 
参考
 
  参考1：维基百科-仪表放大器
 
  参考2：德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-仪表放大器