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  • 该文档仔细描述了恒流源电路和仪表放大器原理
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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

    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。
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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。
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    以下为原文地址,

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    仅供参考:AD620&623资料

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  • 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
  • 仪表放大器将两个信号的差值放大。典型的差模信号来自传感器件,诸如电阻桥或热电偶。
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    AD8302 幅度相位检测 鉴幅鉴相器 解调对数放大器 原理图PCB

    芯片简介

    AD8302是一款完全集成式系统,用于测量多种接收、发射和仪器仪表应用中的增益/损耗和相位。它只需极少的外部元件,采用2.7 V至5.5 V单电源供电。在50 Ω系统中,交流耦合输入信号范围为–60 dBm至0 dBm,低频高达2.7 GHz。这些输出在±30 dB的范围内提供精确的增益或损耗测量,调整比例为30 mV/dB,相位范围为0°–180°,调整比例为10 mV/度。两个子系统都具有30 MHz的输出带宽,可通过增加外部滤波器电容来降低该带宽。AD8302可在控制器模式下使用,驱动信号链的增益和相位达到预定设定点。

    原理图&3D-PCB

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    具体讲解

    1、芯片OPSA和OPSB脚是,可以设置偏移,补偿滤波器的转角,并提供输入去耦。一般使用1nF电容即可。
    2、PFLT和MTLT脚分别配置相位滤波器电容和幅度滤波器电容。这里的电容越大输出纹波越低,但是反应时间也会相对变慢。一般采用10nF就可以了
    3、PSET和MSET是设置输出电压幅度的压缩比的,一般选择不压缩,所以直连到输出就可以了
    4、VREF是芯片内部参考输出,电压为1.8V。
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    5、由于输入是电容耦合的,所以可鉴幅鉴相的频率范围是100K以上。如需小于100K测量需要改变输入耦合电容以及滤波器电容。
    6、芯片实测可测量相位范围是30-150度。理想曲线(黑色)和实测曲线(红色)在下图有展示。
    7、由于芯片有个体差异,所以也会出现绿色的曲线。
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    仅供参考:AD8302资料

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    仪表放大器与运算放大器的区别是什么?

    作者:时间:2015-10-27来源:网络

    仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。大多数情况下,仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高,典型值≥109 Ω。其输入偏置电流也应很低,典型值为 1 nA至 50 nA。与运算放大器一样,其输出阻抗很低,在低频段通常仅有几毫欧(mΩ)。运算放大器的闭环增益是由其反向输入端和输出端之间连接的外部电阻决定。与放大器不同的是,仪表放大器使用一个内部反馈电阻网络,它与其信号输入端隔离 。对仪表放大器的两个差分输入端施加输入信号,其增益既可由内部预置,也可由用户通过引脚连接一个内部或者外部增益电阻器设置,该增益电阻器也与信号输入端隔离。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/281871.htm

    专用的仪表放大器价格通常比较贵,于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器?答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。电路如下图所示:

     

    1.png

     

    输出电压表达式如图中所示。

    看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的? 为何上述电路可以实现仪表放大器?下面我们就将探讨这些问题。在此之前,我们先来看如下我们很熟悉的差分电路:

     

    2.png

     

    如果R1 = R3,R2 = R4,则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)

    这一电路提供了仪表放大器功能,即放大差分信号的同时抑制共模信号,但它也有些缺陷。首先,同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ,而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍,即200 kΩ。因此,当电压施加到一个输入端而另一端接地时,差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。)

    另外,这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密,否则,每个输入端的增益会有差异,直接影响共模抑制。例如,当增益等于 1 时,所有电阻值必须相等,在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 , 其CMR便 下 降 到 66 dB(2000:1)。同样,如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。

    为解决上述问题,我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示:

     

    3.png

     

    以上前置的两个运放作为电压跟随器使用,我们现在改为同相放大器,电路如下所示:

     

    4.png

     

    输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益(A1 和 A2)时,它对差分信号增加相同的增益,也对共模信号增加相同的增益。也就是说,上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。

    下面,要开始最巧妙的变化了!看电路先:

     

    5.png

     

    这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样,上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而,在这种结构中,单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间,取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压,因此,整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后(在A1 和A2的输出端)的差分电压呈现在R5,RG和R6这三只电阻上,所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

    这种连接有另外一个优点:一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后,在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 = R6,R1= R3和R2 = R4,则VOUT = (VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN,所以流过RG的电流等于VIN/RG,因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位,从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG(也就无电流流过R5和R6),放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此,共模信号将以单位增益通过输入缓冲器,而差分电压将按〔1+(2 RF/RG)〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1+(2 RF/RG)〕倍!

    在理论上表明,用户可以得到所要求的前端增益(由RG来决定),而不增加共模增益和误差,即差分信号将按增益成比例增加,而共模误差则不然,所以比率〔增益(差分输入电压)/(共模误差电压)〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加,这是一个非常有用的特性。

    最后,由于结构上的对称性,输入放大器的共模误差,如果它们跟踪,将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。

    到这里,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。

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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R2R_{2}R3R_{3}是作为输出级的差动放大器,其增益是R3/R2R_{3} / R_{2},这部分的输入电阻是2R22 * R_{2};第二部分是左方的上下两个运算放大器以及R1R_{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;RgR_{g}则是决定仪表放大器的增益电阻,整个电路的增益为Vout V2V1=(1+2R1Rgain )R3R2\frac{V_{\text {out }}}{V_{2}-V_{1}}=\left(1+\frac{2 R_{1}}{R_{\text {gain }}}\right) \frac{R_{3}}{R_{2}}。当RgR_{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R3/R2R_{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),则必须在Ref(图中的GND处)提供一个参考电压(通常是12VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}),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R1=RGainR_{1}=R_{\text {Gain}}R2=R3R_{2}=R_{3},此时仪表放大器的增益为3,因为输入的Vrms=0.3VV_{r m s}=0.3 \mathrm{V},所以输出的Vrms=0.9VV_{r m s}=0.9 \mathrm{V}Vpp=22Vrms=2.5452V\mathrm{V}_{p-p}=2 \sqrt{2} \mathrm{V}_{r m s}=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。

    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

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    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12VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}。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VDC=2.5VV_{DC}=2.5VVpp=2.5452V\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Vrms0.9VV_{\text {rms}} \neq 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12VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}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Vout VRefV2V1=(1+2R1RGain )R3R2\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}},因为双电源的VRef=0VV_{Ref}=0V,所以这个公式也适用于双电源

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    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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