传感器技术课程中仪表放大器的应用和教学

董祺圣

【摘 要】在高职类电子专业的《传感器技术》课程中，模拟传感器中电压信号的放大是一个重点，也是难点。这类放大电路与传统由运放或晶体三极管构成的基本放大电路有何不同？很多学生学完整門课程都不甚理解。本文以三运放的仪表放大电路入手，分析其性能和特点，深入讲解如何有效的放大小信号，以及如何应用此类电路。

【关键词】差分放大；共模抑制；差模信号

中图分类号： TN72 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0198-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.092

0 引言

随着传感器技术的飞速发展，传感器的应用场合也越来越广。由于模拟传感器件所产生的信号非常微弱，通常只有mV级别，要想有效的放大mV级别的信号，必定需要高共模抑制比的放大电路。仪表放大器就是其中的一种放大电路，它被广泛应用于医疗设备、音响、精密仪器中。仪表放大电路主要可以分为由分立元器件和集成芯片构成。本文以独立三运放构成的仪表运放为例，分析它如何抑制共模信号和放大差模信号，以及其电路特点。

采用差分方式的输入，它不依赖于基准地作为信号输入端，有效避免了地线电位的不一致导致输入信号的干扰。它的每根信号线只要接各自的放大电路，并保证电路结构的对称和放大倍数的一致，即可在电路输出就可得到准确的信号。如果利用单独的晶体管组成放大电路，比较难精确保证放大电路性能和参数的对称。因为每个晶体管参数及温升后的参数不尽相同。

运算放大器具有精确的放大增益和高输入阻抗等优势，所以非常普遍的运用在小信号的差分放大电路中，下图为由三运放组成的仪表放大电路。

1 电路结构

运放在选型时，需要尽量选用高共模抑制比、低噪声、低输入失调电压的型号。同时在对电阻选型时，也要选择偏差为±0.1%的高精度电阻，因为电阻阻值微弱的偏差，会严重降低电路的共模抑制比。U1A和U1B组成信号v1和v2的输入缓冲隔离级，主要作用提高放大电路的输入阻抗，并将传感器与后级电路隔离。U1C构成的减法器，将U1A和U1B的输出信号进行减法运算。此电路如何抑制共模信号的具体过程如下。

就三运放和双运放组成的仪表放大器有各自的特点：双运放从结构上简化，从而节约电路的成本。然而，这种简化使得电路的不对称，最终势必降低了共模抑制比。同时，输入信号Ui1经由第一级运放输出为Uo1，Uo1与Ui1和Ui2相比会有一定的信号延时，在延时阶段会在Uo断形成短暂的共模误差，并且这种误差会随着输入信号频率的增大而增大。

【参考文献】

[1]涂剑鹏，何尚平，罗小青，郭波.基于差分放大电路的宽带直流放大器的设计，自动化与仪器仪表，2010（2）：91-93.

[2]盛洁，冯哲昀，陈孝桢.运算放大器输入电路对方波发生电路的影响，实验技术与管理，2009，26（7）：6467.