测量放大器的设计

1、测量放大器能够将微弱的电信号进行放大， 在生活中应用也十分 广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然 离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在已 经有集成的测量放大器供使用了。本次设计就是围绕测量放大器展开 的，测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真 的放大，并且不对所测量的电路产生影响， 这就是需要放大器有较高 的输入电阻和较高的共模抑制比。一、实验目的学习测量放大器的设计方法，掌握测量放大器的调试方法。二、实验要求在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很 大的共模电压(包括干扰电压)，一般对这种信号需要采用测量放大 器

2、。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、 单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。 请设计一个测量放大 器：指标要求：a. 当输入信号峰峰值uip-p=1mV时， 输出电压信号峰峰值 uop-p=1V。b. 输入阻抗：Ri1MQc. 频带宽度：Af (-3dB) =1Hz1kHzd. 共模抑制比：CMRR 70dB三、实验内容1、前端后端放大电路设计与论证测量放大器部分(1)低噪声前端放大电路的设计 最初方案如图 1。本电路结构简单， 输入阻抗较高，放大倍数可调，但是共模抑制比较小。实测只达到 104,所以我们放弃本方案，选择了第二个方案，如图2。此电路的优点在于输入电压接

3、在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大，可满足要求。其中，直流信号的共模抑制比实测可达2.5X106,交流信号的共模抑制比可达 2X105。由电路的对称性可知共模信号 被有效地抑制，而差模信号放大了 10 倍，从而提高了共模抑制比。 另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。图 2 低噪声前置放大电路的设计(2) 程控增益放大部分：为了改变放大器的增益，一般有两条途 径：一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。最 终我们选择在负反馈网络上添加滑动变阻器来改变负反馈电阻阻值， 从而改变放大器的增益。最终我们在考虑方案二的基础上，并结合一些集

4、成运放器的 选择，我们前端放大器我们采取如下方案：该电路实现|50|的放大增益同理集成运放的放大特性，可推出后端放大电路，其实现|20|倍的放大增益R14这样便可以实现 20*50=1000 的放大增益2、总体电路图VCC15V3、主要电路的参数计算(1)、放大倍数 1000 倍；第一级差模放大倍数 Av1 计算如下:V02-V01=( 1+2F2/R1)(Vi(+)-Vi(-)=(1+200/50)(Vi(+)-Vi(-)=(1+200/50)(Vi(+)-Vi(-)即差模增益 Av仁5第二级差模放大倍数 Av2 计算如下:Av2=-R6/R4=-1015VR14U5AR4V10.5mVpk

5、l-(U00 Hz -_ 0?0?TL084MJC51nFR2100k| ?VEE11-15VU2AR8R9U3A3f-TL084MJ4斗VCC.95k| ?10k| ? TL0J,11100nFTL084MJR3100k| ?R5云？-15VR16-15VVEEVCC15VTL084MJVCCR791k| ?C210nFR1043M?R114.3M|?R15VEE3VCC15V4VEE100k| ?Key=A 50%-15VR13U4AC310k| ?C41VEEU1AC110nF10|?Key=A 50%此级放大倍数 Av2=-10所以前端放大倍数 Av=AvlxAv2=-50同理可推出后

6、端放大倍数第三级差模放大倍数 Av3 计算如下：Av3=1+R15/R12=4第 4 级差模放大倍数 Av4 计算如下：Av4=1+R14/R13=5;其中 R14 调为 40k（2）、频带宽度：第二级与第三级间加入二阶低通滤波器，根 2*pi*fH=0.37/RC,其中 fH=1kHz,可取值算出 R、C第三级与第四级加入二阶高通滤波器，对于二阶高通滤波器，由于其参数很难设定，我们可以先固定 C=10OnF 然后根据一阶高 通滤波器的通带截止频率公式 w。=1/RC,大概得出 R 的值，再在这 个值的基础上，不断改变 R 的值，并观察波特图仪，当波特图仪的 下限达到 1Hz 时，即达到设定要

7、求，这部分很难操作，必须要有足 够耐心，最后得出 R=4.3M 根据低通的 Wp=0.37/RC,我们可以近似 推出高通的频带公式为 Wp=1/（0.37RC）.（3）、共模抑制比共模抑制比主要由前端放大电路（第一第二级）的设计来决定。在实际测量中，我们可以分别测量直流与交流情况下的共模抑制 比，方法：在输入两端先输入若干差模信号，记下差模放大倍数，再 输入若干共模信号，记下共模放大倍数，然后任取两值，即可算出共 模抑制比。在直流信号的共模抑制比实测可达2.5X106,交流信号的共模抑制比可达 2X105,从而达到了设计要求。由电路的对称性 可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10 倍，

8、从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输 出电压影响很小，无需另加补偿。(4)、输入阻抗输入阻抗并不需要实际去测量，实际运用中，我们都采用同相输入，有利于提高输入阻抗，再加之 TL084 具有高输入阻抗，因此输入阻抗 趋于无穷，肯定满足设计要求。四、放大器性能测试放大器性能测试：输入信号加入 0.1mv, 100Hz 的交流电源，示波器置双通道观察 测量放大器的输入输出波形。对于测量放大器放大倍数的测量，读出示波器双通道显示的输入输出 信号波形的峰峰值，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大 倍数比较。测量放大器的频率响应测试：在放大器的输出端加入波特图仪，通过观察波特图的幅度图可以 得出放大器的同频带。仿真图如下：由图我们可以看出放大器的放大倍数近似为100 倍，频带宽度近似为 1Hz1KHz.Osci