模擬工程—電路設計指導手冊：運算放大器②

兩級運算放大器儀表放大器電路

設計目標

設計說明

此設計將放大 V_i1 和 V_i2 之間的差異并輸出單端信號，同時抑制共模電壓。儀表放大器能否以線性模式運行取決于其主要構建塊（即運算放大器）能否以線性模式運行。當輸入和輸出信號分別處于器件的輸入共模和輸出擺幅范圍內時，運算放大器以線性模式運行。這些范圍取決于用于為運算放大器供電的電源電壓。

設計說明

1. R_g 設置電路的增益。

2. 高電阻值電阻器可能會減小電路的相位裕度并在電路中產生額外的噪聲。

3. R₄ 和 R₃ 的比率可設置在刪除 R_g 后的最小增益。

4. R₂ /R₁ 和 R₄ /R₃ 的比率必須一致，以避免降低儀表放大器的直流 CMRR 并確保 V_ref 增益為 1V/V。

5. 能否以線性模式運行取決于所使用的分立式運算放大器的輸入共模和輸出擺幅范圍。線性輸出擺幅范圍 在運算放大器數據表中 A_OL 測試條件下指定。

設計步驟

1.此電路的傳遞函數。

V_o = V_iDff * G + V_ref = （V_i2 - V_i1） * G + V_ref 

when V_ref = 0 the transfer function simplifies to the following equaction:

V_o = (V_i2 - V_i1) *G

where G is the gain of the instrumentation amplifier and G = 1 + 

2. 選擇 R₄ 和 R₃ 以設置最小增益。

G_min = 1 + 

Choose R₄ = 20 kΩ

G_min = 1 + 

R₃ =  = 5 kΩ → R₃ = 5.1 kΩ （Standard Value)

3. 選擇 R₁ 和 R₂。

確保 R₁ /R₂ 和 R₃ /R₄ 的比率一致，以將應用于基準電壓的增益設置為 1V/V。

R₁ = R₃ = 5.1 kΩ & R₂ = R₄ = 20 kΩ（標準值）

4. 選擇 R_g 以實現所需的最大增益 G = 10 V/V。

G = 1 +  = 1 +  = 10 V/V

R_g = 8 kΩ → R_g = 7.87 kΩ（標準值）

設計仿真

直流仿真結果

瞬態仿真結果

設計采用的運算放大器

設計備選運算放大器

三級運算放大器儀表放大器電路

設計目標

設計說明

此設計使用 3 個運算放大器構建分立式儀表放大器。電路將差動信號轉換為單端輸出信號。儀表放大器能否以線性模式運行取決于其構建塊（即運算放大器）能否以線性模式運行。當輸入和輸出信號分別處于器件的輸入共模和輸出擺幅范圍內時，運算放大器以線性模式運行。這些范圍取決于用于為運算放大器供電的電源電壓。

設計說明

1. 使用精密電阻器實現高直流 CMRR 性能

2. R₁₀ 設置電路的增益。

3. 向輸出級添加隔離電阻器以驅動大電容負載。

4. 高電阻值電阻器可能會減小電路的相位裕度并在電路中產生額外的噪聲。

5. 能否以線性模式運行取決于所使用的分立式運算放大器的輸入共模和輸出擺幅范圍。線性輸出擺幅范圍在運算放大器數據表中 A_OL 測試條件下指定。

設計步驟

1. 此電路的傳遞函數：

2. 選擇反饋環路電阻器 R₅ 和 R₆：

Choose R5 = R6 = 10kΩ （Standard Value）

3. 選擇 R₁、R₂、R₃ 和 R₄。要將 V_ref 增益設置為 1V/V 并避免降低儀表放大器的 CMRR，R₄/R₃ 和 R₂/R₁的比值必須相等。

Choose R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10Ω（Standard Value)

4. 計算 R₁₀ 以實現所需的增益：

G = （Standard Value）

R₄ = R₃ = 10kΩ

（1）

5. 要檢查共模電壓范圍，請從參考文獻 [5] 中下載并安裝程序。通過為內部放大器具有所選放大器（在本例 中為 TLV172）所定義的共模范圍、輸出擺幅和電源電壓范圍的三級運算放大器 INA 添加代碼，對安裝 目錄中的 INA_Data.txt 文件進行編輯。此設計中沒有 V_be 變化，并且輸出級差動放大器的增益為 1V/V。 默認電源電壓和基準電壓分別為 ±15V 和 0V。運行程序并相應地設置增益和基準電壓。結果 V_CM 與V_OUT圖近似于分立式 INA 的線性運行區域。

設計仿真

直流仿真結果

瞬態仿真結果

設計采用的運算放大器

設計備選運算放大器