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  • 采用先进技术的模数转换(ADC)能够接收差分输入信号,能够将来自传感器的整个信号路径以差分信号的形式传送给ADC。这种方法提供了显著的性能优势,因为差分信号增加了动态范围,减小了交流声,并且消除了对地噪声。
  • 我们导出了这个经典电路的来龙去脉: 差分放大器-->前置电压跟随器-->电压跟随器变为同相放大器-->三运放组成的仪用放大器
  • 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...

    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~~。

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  • 1a示出简化的放大器电路。该电路的一般原理是电容器C和电阻器R3对输入信号进行缓冲和交流耦合。第二级由两个差动放大器AD组成。每个差动放大器放大差动输入信号的一半。求和运算可以得到求VOUT的如下公式: 在...
  • 运算放大器典型电路原理

    万次阅读 多人点赞 2019-06-10 20:08:24
     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...

    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。

    在这里插入图片描述

    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。

    在这里插入图片描述

    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。
    在这里插入图片描述

    (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!

    在这里插入图片描述

    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。

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    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。

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    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。

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    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。

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    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。

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    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!

    在这里插入图片描述

    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。

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

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  • 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...

    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

    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。
    在这里插入图片描述
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    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。
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    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。
    在这里插入图片描述
    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

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  • Multisim仿真-仪表放大器仿真电路

    千次阅读 2020-08-04 10:49:47
    一文看懂仪表放大器工作原理,并使用Multisim仿真验证

    一、仪表放大器的实现原理

    在这里插入图片描述

      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,根据功能分为部分。第一部分是右方的运算放大器以及 R 2 R_{2} R2 R 3 R_{3} R3是作为输出级的差动放大器,其增益是 R 3 / R 2 R_{3} / R_{2} R3/R2,这部分的输入电阻是 2 ∗ R 2 2 * R_{2} 2R2;第二部分是左方的上下两个运算放大器以及 R 1 R_{1} R1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 R_{g} Rg则是决定仪表放大器的增益电阻,整个电路的增益为 V out  V 2 − V 1 = ( 1 + 2 R 1 R gain  ) R 3 R 2 \frac{V_{\text {out }}}{V_{2}-V_{1}}=\left(1+\frac{2 R_{1}}{R_{\text {gain }}}\right) \frac{R_{3}}{R_{2}} V2V1Vout =(1+Rgain 2R1)R2R3。当 R g R_{g} Rg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 R_{3} / R_{2} R3/R2

    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),则必须在Ref(图中的GND处)提供一个参考电压(通常是 1 2 ∗ V C C \frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}} 21VCC),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处接即可。此处设置的仿真是 R 1 = R Gain R_{1}=R_{\text {Gain}} R1=RGain R 2 = R 3 R_{2}=R_{3} R2=R3,此时仪表放大器的增益为3,因为输入的 V r m s = 0.3 V V_{r m s}=0.3 \mathrm{V} Vrms=0.3V,所以输出的 V r m s = 0.9 V V_{r m s}=0.9 \mathrm{V} Vrms=0.9V V p − p = 2 2 V r m s = 2.5452 V \mathrm{V}_{p-p}=2 \sqrt{2} \mathrm{V}_{r m s}=2.5452 \mathrm{V} Vpp=22 Vrms=2.5452V。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。

    在这里插入图片描述

      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

    在这里插入图片描述

    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 1 2 ∗ V C C \frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}} 21VCC。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2.5VDC偏置,所以可以看到 V D C = 2.5 V V_{DC}=2.5V VDC=2.5V V p − p = 2.5452 V \mathrm{V}_{p-p}=2.5452 \mathrm{V} Vpp=2.5452V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 rms ≠ 0.9 V V_{\text {rms}} \neq 0.9V Vrms=0.9V

    在这里插入图片描述

      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 1 2 ∗ V C C \frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}} 21VCC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 V out  − V R e f V 2 − V 1 = ( 1 + 2 R 1 R Gain  ) R 3 R 2 \frac{V_{\text {out }}-V_{R e f}}{V_{2}-V_{1}}=\left(1+\frac{2 R_{1}}{R_{\text {Gain }}}\right) \frac{R_{3}}{R_{2}} V2V1Vout VRef=(1+RGain 2R1)R2R3,因为双电源的 V R e f = 0 V V_{Ref}=0V VRef=0V,所以这个公式也适用于双电源

    在这里插入图片描述

    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

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    由虚短知Vx=V1……aVy=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……...
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仪表放大器电路原理图