仪器放大器AD620性能及其应用
仪器放大器AD 620性能及其应用
曹 军
(东南大学,南京,210096)
摘要 本文简要概述了单片仪器放大器AD 620的结构原理及其性能特点和主要关系曲线,并给出了一些典型应用。
关键词:仪器放大器 芯片
中图分类法:TN 431.2 TN 72
一 引 言 在许多现代电子设备中,
如数据采集系统、医疗仪器、信号处理系统等需要对弱信号进行高精度处理的场合,都较普遍地采用了仪器放大器,常用的仪器放大器有传统的三运放仪器放大器和单片仪器放大器,因单片仪器放大器具有高精度、低噪声及易于控制、设计简单等特点而成为设计者优选的对象。作为著名的模拟电路及数模混合电路的制造商AD 公司为设计者提供了许多性能优良的单片仪器放大器芯片,如AD 524、AD 620、AD 624等已广泛应用到各种电路设计之中,这些芯片的电气性能指标各不相同,但设计方法大同小异。本文选择增益范围较大,且精度较高的AD 620芯片作一个较为详细的介绍。
二 AD 620简介
AD 620为一个低成本,高精度的单片仪器放大器,为8脚SO I C 塑封外形(图1),其主要特点如表1。
表1供电电源
增益选择增益范围最大增益误差%带 宽功 耗±213～±18V 电阻编程1～10k 017%
(G =1000)1M H z (G =1,小信号-3dB )
最大650mW 输入失调电压输入失调漂移输入偏置电流最小共模抑制比温度范围
最大125ΛV 最大1ΛV ℃最大2.0nA 93dB (G =10)0°～70℃ 民品
-40°～85℃ 工业品
-55°～125℃ 军品
第20卷 第3期 1997年9月 电子器件Jou rnal of E lectron D evices V o l .20,N o.3 Sep.1997
尽管AD 620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3～±18V ),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA ),因而适用于低电压、低功耗的应用场合。图1 芯片引脚图 AD 620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件
紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD 620为
三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精
度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用Β
工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反
馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加
到外部增益控制电阻R G 上
。AD 620的两个内部增益电阻
为24.7k 8,因而增益方程式为
G =4914k 8R G +1(1)
对于所需的增益,则外部控制电阻值为
R G =4914G -1k 8(2)
图4 输入电压变化与预热时间的关系 图5 增益与频率关系
外部增益控制电阻值R G 也决定前置放大器的跨导,当R G 减小时,由(1)式可知可编程
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的增益增加,开环增益随之增加;反之当R G 增大时则增益降低,并且降低了增益误差,同时带宽也随之增加,因而优化了频率响应。另一方面,AD 620的低输入电压噪声在1kH z 时为9nV H z,在0.1H z 到10H z 频带时为0.28ΛV p-p ,电流噪声仅为0.1pA H z,因而在精确测量系统中,应用AD 620设计电路是非常理想的。图(2)～图(5)为AD 620的一些典型特性曲线图。
三 AD 620的典型应用
AD 620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点,使AD 620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。
(1)压力传感器电路
AD 620特别适宜于较高电阻值,较低电源电压的压力传感器电路设计。AD 620的体积小、功耗低成为压力传感器的重要因素,图(6)为3k 8、+5V 电源供电的压力传感器电桥。在这样一个电路中,电桥功耗仅为1.7mA ,AD 620和AD 705缓冲电压驱动器对信号调节,使总供电电流仅为3.8
mA ,同时该电路产生的噪声和漂移也极低
。
图6 压力检测器电路
图7 心电图监测电路
46 电子器件 第20卷
(2)心电图监测电路
在心电图监测电路设计中,信号的源阻抗极高、器件的便携特点,这就要求用低功耗、低供电电压的放大器进行设计,而AD 620正是这种器件的最佳选择。图(7)为心电图监测电路中AD 620的应用情况。而且AD 620的低电压噪声改善了动态范围,使监测电路具有较好的性能,为了维持图中驱动环路的稳定性,应使电容C 1值选择适当的值。
(3)精密电压电流转换器图8 精密电压电流转换 AD 620与一运放组合可以设计成一个精密电
压电流转换器,通过AD 705对AD 620的参考端进
行缓冲,使之保持优良的共模抑制,AD 620的V x
通过R 1电阻转换为电流,此电流小到仅为运算放
大器AD 705的输入偏置电流,然后流出到负载,电
路如图8所示。
四 设计考虑
在仪表放大器的电路设计中,尚有一些实际问
题在设计时需要进行考虑,主要有以下几点:
①AD 620的增益是通过改变编程电阻R G 来实现的,为了使AD 620设计提供精确增益,应使用0.1～1%误差的电阻,同时为了保持增益的高稳定性,避免高的增益漂移,应选择低温度系数的电阻。
②为获得较高的共模抑制比(C M R ),参考端应连接于低阻抗点,因为AD 620的输出电压与参考端的电位有关,它能够通过简单地将参考端连接到“局部地”来提高共模抑制比。并使两输入端的输入电容与输入电阻差异为最小。在多数情况下,输入信号以屏蔽电缆馈入,并提供专门的驱动。
③在许多数据采集系统中,通常有模拟地和数字地的问题。由于电流通过接地线和印刷电路板中的电流能产生几百毫伏的误差,所以为了达到模拟与数字噪声的隔离,应采用分立的接地回路,使敏感点到系统接地的流过电流为最小,这些接地回路必须在某些点连接在一起。参考文献
1 AD 公司放大器手册,香港世健系统有限公司,1992
56第2期 曹军:仪器放大器AD 620性能及其应用
T he P rincip les and A pp lications fo r I N 2AM P AD 620
Cao J un
(S ou theast U n iversity ,N anj ing ,210096
)Abstract T h is p ap
er in troduces the p rinci p les of I N 2AM P ch i p AD 620,and the featu re
p aram eters and m ain characterial cu rves ,it also p resen ts som e typ ical app licati on circu its
.Key words :I N 2AM P ch i p
EEACC :1220 1265H 6
6 电子器件 第20卷
仪表放大器特点及作用
仪表放大器特点及作用 仪表放大器是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。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组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。 一、仪表放大器特点 1、高共模抑制比 共模抑制比（CMRR）则是差模增益（Ad）与共模增益（Ac）之比，即：CMRR=20lg|Ad/Ac|dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70～100dB 以上。 2、高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为109～1012Ω。 3、低噪声 由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz. 4、低线性误差 输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%. 5、低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV。 二、仪表放大器的作用 目前仪表放大器在多方面已经得到运用，典型应用如下：
实验五集成运算放大器的基本应用共7页文档
实验五集成运算放大器的基本应用(I) ─模拟运算电路─ 一、实验目的 1、了解和掌握集成运算放大器的功能、引脚 2、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算 电路的功能。 3、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。 开环电压增益A =∞ ud =∞ 输入阻抗r i =0 输出阻抗r o 带宽 f =∞ BW 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性：
（1）输出电压U O 与输入电压之间满足关系式 U O ＝A ud （U +－U －） 由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 （2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图8－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压 之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图8－1 反相比例运算电路 图8－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图8－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 // R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图8－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O U R R U - =
集成运算放大器及其应用
第九章集成运算放大器及其应用（易映萍） 9.1 差分放大电路 9.2互补功率放大电路 9.3 集成运算放大电路 9.4 理想集成运放的线性运用电路 9.5 理想集成运放的非线性运用电路 习题 第九章集成运算放大器及其应用 9.1 差分放大电路 9.1.1 直接耦合多级放大电路的零点漂移现象 工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力、液面和长度等，它们通过不同的传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性连续信号，这些信号具有以下两个特点： 1．信号比较微弱，只有通过多级放大才能驱动负载； 2．信号变化缓慢，一般采用直接耦合多级放大电路将其放大。 u＝0）时，人们在试验中发现，在直接耦合的多级放大电路中，即使将输入端短路（即 i u≠0）,这种现象称为零点漂移（简称为零漂），如图输出端还会产生缓慢变化的电压（即 o 9.1所示。 （a）测试电路（b）输出电压u o的漂移 图9.1 零点漂移现象 9.1.2 零漂产生的主要原因 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化以及半导体元器件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移，在阻容耦合放大电路中，耦合电容对这种缓慢变化的漂移电压相当于开路，所以漂移电压将不会传递到下一级电路进一步放
大。但是，在直接耦合的多级放大电路中，前一级产生的漂移电压会和有用的信号（即要求放大的输入信号）一起被送到下一级进一步放大，当漂移电压的大小可以和有用信号相当时，在负载上就无法分辨是有效信号电压还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了，使放大电路无法正常工作。 采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减小由此而产生的漂移，所以由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂，从某种意义上讲零点漂移就是静态工作点Q点随温度的漂移。 9.1.3抑制温漂的方法 对于直接耦合多级放大电路，如果不采取措施来抑制温度漂移，其它方面的性能再优良，也不能成为实用电路。抑制温漂的方法主要由以下几种： （1）采用稳定静态工作的分压式偏置放大电路中Re的负反馈作用； （2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化； （3）采用特性完全相同的三极管构成“差分放大电路”； 9.1.4 差分放大电路 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。直接耦合的多级放大电路的组成框图如图9.2所示。 图9.2 多级放大的组成框图 A倍后传送到负载上，对电路造从上图可知输入级一旦产生了温漂，会经中间级放大 u2 A≈1，对电路造成的成严重的影响，而中间级产生的温漂，由于直接到达功放级而功放的 u 影响跟输入级相比少得多，所以，我们主要应设法抑制输入级产生的温漂，故在直接耦合的多级放大电路中只有输入级常采用差分放大电路的形式来抑制温漂。 9.1.4.1 差分放大电路的组成及结构特点 一．电路组成 差分放大电路如图9.3所示。
集成运算放大器的基本应用
实验十一 集成运算放大器的基本应用 —— 模拟运算电路 一、实验目的 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、交流毫伏表 4、信号发生器 三、实验原理 在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。 1、 反相比例运算电路 电路如图11-1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U 1 - = （11-1） U i O 图11-1 反相比例运算电路 为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1∥R F ，此处为了简化电路，我们选取R2=10K 。
2、反相加法电路 U O U 图11-2 反相加法运算电路 电路如图11-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )( 22 11i F i F O U R R U R R U +-= R 3=R 1∥R 2∥R F （11-2） 3、同相比例运算电路 图11-3（a ）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U )1(1 + = R 2=R 1∥R F （11-3） 当R1→∞时，U O =U i ，即得到如图11-3（b ）所示的电压跟随器。图中R2=R F ，用以减小漂移和起保护作用。一般RF 取10K Ω，R F 太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。 (a)同相比例运算 (b)电压跟随器 图11-3 同相比例运算电路 4、差动放大电路(减法器) 对于图11-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=R F 时，有如下关系式： )(1 120i i U U R RF U -= （11-4）
运算放大器应用设计的技巧总结
运算放大器应用设计的几个技巧 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的nA?级，选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。 三、如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！ 而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决： 1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。
运算放大器的典型应用
Op Amp Circuit Collection AN-31
Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14
Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20
集成运算放大器的基本应用
实验名称 集成运算放大器的基本应用 一.实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法。 2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。 3.学习正确使用示波器交流输入方式和直流输入方式观察波形的方法，重点掌握积分输入，输出波形的测量和描绘方法。 二.实验元器件 集成运算放大器 LM324 1片 电位器 1k Ω 1只 电阻 100k Ω 2只；10k Ω 3只；5.1k Ω 1只；9k Ω 1只 电容 0.01μf 1只 三、预习要求 1.复习由运算放大器组成的反相比例、反相加法、减法、比例积分运算电路的工作原理。 2.写出上述四种运算电路的vi 、vo 关系表达式。 3.实验前计算好实验内容中得有关理论值，以便与实验测量结果作比较。 4.自拟实验数据表格。 四.实验原理及参考电路 本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。 1. 反向比例运算 反向比例运算电路如图1所示，设组件LM324为理想器件，则 11 0υυR R f -=
R f 100k R 1 10k A 10k R L v o v 1 R 9k 图1 其输入电阻1R R if ≈，图中1//R R R f ='。 由上式可知，改变电阻f R 和1R 的比值，就改变了运算放大器的闭环增益vf A 。 在选择电路参数是应考虑： ○ 1根据增益，确定f R 与1R 的比值，因为 1 R R A f vf - = 所以，在具体确定f R 和1R 的比值时应考虑；若f R 太大，则1R 亦大，这样容易引起较大的失调温漂；若f R 太小，则1R 亦小，输入电阻if R 也小，可能满足不了高输入阻抗的要求，故一般取f R 为几十千欧至几百千欧。 若对放大器输入电阻有要求，则可根据1R R i =先确定1R ，再求f R 。 ○ 2运算放大器同相输入端外接电阻R '是直流补偿电阻，可减小运算放大器偏执电流产生的不良影响，一般取1//R R R f ='，由于反向比例运算电路属于电压并联负反馈，其输入、输出阻抗均较低。 本次试验中所选用电阻在电路图中已给出。 2. 反向比例加法运算 反向比例加法运算电路如图2所示，当运算放大器开环增益足够大时，其输入端为“虚地”，11v 和12v 均可通过1R 、2R 转换成电流，实现代数相加，其输出电压 ??? ??+-=122111 v R R v R R v f f o 当R R R ==21时 ()1211v v R R v f o +- = 为保证运算精度，除尽量选用精度高的集成运算放大器外，还应精心挑选精度高、稳定性好的电阻。f R 与R 的取值范围可参照反比例运算电路的选取范围。 同理，图中的21////R R R R f ='。
集成运算放大器的基本应用
第7章集成运算放大器的基本应用 7.1 集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 7.1.2 加法运算电路 7.1.3 减法运算电路 7.1.4 积分运算电路 7.1.5 微分运算电路 7.1.6 电压—电流转换电路 7.1.7 电流—电压转换电路 7.1.8 有源滤波器 *7.1.9 精密整流电路 7.2 集成运放的非线性应用 7.2.1 单门限电压比较器 7.2.2 滞回电压比较器 7.3 集成运放的使用常识 7.3.1 合理选用集成运放型号 7.3.2 集成运放的引脚功能 7.3.3 消振和调零 7.3.4 保护 本章重点: 1. 集成运算放大器的线性应用：比例运算电路、加减法运算电路、积分微分运算电路、一阶有源滤波器、二阶有源滤波器 2. 集成运算放大器的非线性应用：单门限电压比较器、滞回比较器 本章难点: 1. 虚断和虚短概念的灵活应用 2. 集成运算放大器的非线性应用 3. 集成运算放大器的组成与调试 集成运算放大器(简称集成运放)在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用。 7.1 集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 1. 同相比例运算电路 (点击查看大图)反馈方式：电压串联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 虚短: u-= u+= u i
虚断: i +=i i- =0 ， i 1 =i f 电压放大倍数: 平衡电阻R=R f//R1 2. 反相比例运算 (点击查看大图)反馈方式：电压并联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 i - =i+= 0（虚断） u + =0，u－=u+=0（虚地） i 1 =i f 电压放大倍数:
仪表放大器的应用技巧(摘)
仪表放大器电路设计技巧 Charles Kitchin，Lew Counts 美国模拟器件公司 长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V 单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。 电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。 通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。 图1、电源旁路的推荐方法 1.输入接地返回的重要性 当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。图2示出这样一个电路。
集成运放基本应用之一—模拟运算电路
集成运放基本应用之一—模拟运算电路
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实验十二集成运放基本应用之一——模拟运算电路 一、实验目的 1、了解并掌握由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的原理与功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性： 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放： 开环电压增益A ud=∞ 输入阻抗r i=∞ 输出阻抗r o=0 带宽f BW=∞ 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压U O与输入电压之间满足关系式 U O＝A ud（U+－U－） 由于A ud=∞，而U O为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短”。
（2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图5－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的 关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图5－1 反相比例运算电路 图5－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图5－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 / R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图5－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O )U R R (1U + = R 2＝R 1 / R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图5－3(b)所示的电压跟随器。图中R 2＝R F ， i 1 F O U R R U -=
仪表放大器应用工程师指南(第三版)
仪表放大器应用工程师指南（第三版）仪表放大器应用工程师指南 第一章仪表放大器的基本原理 前言 仪表放大器有时被错误地理解。并非所有用于仪器仪表的放大器都是仪表放大器，而且仪表放大器决不只用于仪器仪表。仪表放大器用于从电机控制到数据采集以及汽车系统等诸多领域。本书的目的是阐述什么是仪表放大器，它的工作原理怎样，如何使用它以及在何处使用它等基本问题。另外，本书还介绍了几种不同类型的仪表放大器。 仪表放大器与运算放大器的区别是什么, 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9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，典型值为 Ω10或更大。其输入偏置电流也很低，典型值为1nA至50 nA。与运算放大器一样，仪表放大器输出阻抗也很低，在低频段通常仅有几毫欧。 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。与运算放大器不同的是，仪表放大器使用一个与信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。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。 图1-1所示的是一个电桥前置放大电路，即为一种典型的仪表放大器应用。当检测信号时，电桥电阻阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压变化。该电桥的信号输出就是这种差分电压，且其直接连接到仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流电压也施加到电桥的两输入端。这种直流电压通常在两输
入端是相等的或是共模的。仪表放大器的主要作用通常是抑制共模直流电压或对两输入端共模的任何其它电压，同时放大差分信号电压，即两输入端之间的电压差。 相反，如果若在该类应用中采用标准的运算放大器，那么它只会对信号电压和任何直流信号、噪声或其它共模电压进行简单放大。因此，信号会淹没在直流失调电压与噪声之中。正因为如此，即使最好的运算放大器也不能有效地提取微弱的信号。图1-2对比了运算放大器和仪表放大器输入特征之间的差别。信号放大与共模抑制(CMR) 仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提供非常重要的功能。 共模抑制(CMR) 是指抵消任何共模信号(两输入端电位相同)同时放大差模信号(两输入端的电位差)的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能。直流和交流的共模抑制比都是仪表放大器的重要技术指标。使用现代任何质量合格的仪表放大
2016东南大学模电实验1运算放大器的基本应用
东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称：模拟电子电路实验 第 1 次实验 实验名称：运算放大器的基本应用 院（系）：吴健雄学院专业：电类强化班 姓名：学号： 610142 实验室:实验组别： 同组人员：实验时间：2016年4月10日 评定成绩：审阅教师： 一、实验目的 1.熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法； 2.熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法； 3.了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入 失调电流、温度漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（大差模输入电压、大共模输入电压、大输出电流、大电源电压等）的基本概念； 4.熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法；
5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器测量输出波形。 二、预习思考 1.查阅 LM324 运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数 和极限参数，解释参数含义。
2.设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10K?，RF=100 k?，并用 multisim 仿真。 其中分压电路由100k?的电位器提供，与之串联的510?电阻起限流的作用。 3.设计一个同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri>10K?，RF=100 k?，并用 multisim 仿真。
三、 实验内容 1. 基本要求 内容一： 反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅 LM324 运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义）。 图 1.1 反相输入比例运算电路 LM324 管脚图 1) 图 1.1 中电源电压±15V ，R1=10k Ω，RF=100 k Ω，RL ＝100 k Ω，RP ＝10k//100k Ω。按图连接电路，输入直流信号 Ui 分别为－2V 、－0.5V 、0.5V 、2V ，用万用表测量对应不同 Ui 时的 Uo 值，列表计算 Au 并和理论值相比较。其中 Ui 通过电阻分压电路产生。 Ui/V Uo/V Au 测量值 理论值 -2 13.365 -6.6825 \
精密低功耗仪表放大器INA118及其应用
-14- 《国外电子元器件》2000年第6期2000年6月 图1INA118的内部电路 图2 INA118的引脚排列 精密低功耗仪表放大器INA118及其应用 信息产业部电子六所 杨昌金北京联合大学机电工程学院 王涛 Precision And Lo w Po wer Instrument Am p l if ier INA118 Yan g Chan gj in Wan g Tao 摘要:INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放大器,它在内部集成了输入保护电路,其增益可由外部可调增益电阻R g 进行调节。本文介绍了INA118的原理、特性及应用电路。关键词:共模抑制;频带宽度;增益;轨至轨;INA118分类号:TN 722文献标识码:B 文章编号:1006-6977(2000)06- 0014- 02 ●新特器件应用 1.概述 INA118是美国B -B 公司生产的精密仪表放 大器系列中的一种,它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点,适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度(G =100时带宽为70k Hz )。 INA118由三个运算放大器组成差分放大结构,其内部电路如图1所示。内置输入过压保护,且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(从1 到1000),因而应用范围很广。 2.引脚图及引脚功能 INA118的引脚排列如图2所示。各引脚的功 能说明如表1所列。 3.电气参数 INA118的主要参数如下: ●最大偏移电压:50μV ;●最大温漂:0.5μV /℃;●最大输入基极电流:5nA ; ●最小共模抑制比:110dB ; ●输入过压保护电压:±40V ;●电源电压:±1.35V ～±18V ;●溃散电流:350μA ;●带宽:单位增益时为800k Hz ;●稳定时间:单位增益时为25μs ;●过载恢复时间:20μs ;●工作温度范围:-40℃～85℃;●封装形式:8脚D IP 或SO 。 4.工作原理 INA118由于内含输入保护电路,因此,如果输 入过载,保护电路将把 输入电流限制在1.5到5mA 的安全范围内,以保证后续电路的安全。 此外,输入保护电路还 能在无电源供电的情况
运算放大器应用电路的设计与制作
运算放大器应用电路的设计与制作 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。 输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。 在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。 理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为： 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻 R ’＝R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端: 图4 同相比例电路电路图 i 1 f O U R R U -=
实验 集成运算放大器的基本应用
实验集成运算放大器的基本应用（Ⅱ）——有源滤波器 一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC有滤波器级联实现。 1、低通滤波器（LPF） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
(a)电路图 (b)频率特性 图9－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A + = 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1 f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 uP A 31 Q -= 品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。 2、高通滤波器（HPF ） 与低通滤波器相反，高通滤波器用来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。 只要将图9－2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图9－3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH 分析方法，不难求得HPF 的幅频特性。 (a) 电路图 (b) 幅频特性 图9－3 二阶高通滤波器 电路性能参数A uP 、f O 、Q 各量的函义同二阶低通滤波器。 图9－3（b ）为二阶高通滤波器的幅频特性曲线，可见，它与二阶低通滤波器的幅频特性曲线有“镜像”关系。 3、 带通滤波器（BPF ）
ADI《仪表放大器应用工程师指南》中文版
下面是我上月25号整理的，当时偶然发现我就趋值班的时间整理了一下，现在整理一下供大家点评。下面有下划线的地方是我修改过的（方括号［］内是原译和本人观点），我觉得这样比较通顺一点，正文中的黑体处属于准确性明显不足的地方。今天还发现了一个明显是错误的地方，呆会帖出来，大家看看是不是？ 信号放大与 CMR ［原译：仪表放大器是一种放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号的器件。----观点：原文说得好好的，但译出了一种洋味，特别是那个“对”字，纯属多余又影响理解。|| 原文：An instrumentation amplifier is a device that amplifies the dif ference between two input signal voltages while rejecting any signals that are common to both inputs. 抑制这两个输入端共模信号的器件，因此，仪表放大器在从传感器和其它信号源提取微弱信号时提供非常重要的功能。 共模抑制（CMR）是指抵消任何共模信号（［原译：两输入端电位相同----观点：两个输入端的电位|| 原文：the same potential on both inputs］）同时放大差模信号（两输入端的电位差）的特性，这是仪表放大器所提供的最重要的功能（阅读附注：也可以说是表现最突出、最有吸引力的功能/性能）。［原译：DC 和交流（AC）CMR 两者都是仪表放大器的重要技术指标----观点：意思没错，就是有点“涩”，翻译时加上CMR的中文意思更多方便更语言化一点，但那个“两者”是没有必要加进去了。|| 原文：Both dc and ac common-mode rejection are important in-amp specifications.］直流和交流的共模抑制CMR都是它的重要技术指标。［原译：使用现代任何质量合格的仪表放大器都能将由于DC 共模电压（即，出现在两输入端的DC 电压）产生的任何误差减小到80 dB 至120 dB。----观点：理由同上句，但读者要注意原文并没有说交流共模抑制也能达到8 0～120dB。|| 原文：Any errors due to dc common-mode voltage (i.e., dc v oltage present at both inputs) will be reduced 80 dB to 120 dB by any mo dern in-amp of decent quality 共模电压（即出现在两输入端的直流电压）产生的任何误差减小到80～120dB。 然而，［原译：如果AC CMR 不够大会产生一种很大的时变误差。因为它通常随着频率产生很大变化，所以要在仪表放大器的输出端消除它是困难的。幸好大多数现代单片集成电
实验--集成运算放大器的基本应用
实验--集成运算放大器的基本应用
实验集成运算放大器的基本应用（Ⅱ）——有源滤波器一、实验目的 1、熟悉用运放、电阻和电容组成有源低通滤波、高通滤波和带通、带阻滤波器。 2、学会测量有源滤波器的幅频特性。 二、实验原理 （a）低通（b）高通 (c) 带通（d）带阻 图9－1 四种滤波电路的幅频特性示意图 由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器，它们的幅频特性如图9－1所示。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的幅频特性去逼近理想的。一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。滤波器的阶数越高,幅频特性衰减的速率越快，但RC 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路调试越困难。任何高阶滤波器均可以用较低的二阶RC 有滤波器级联实现。 1、 低通滤波器（LPF ） 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。 如图9－2（a ）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。 图9－2（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。 (a)电路图 (b)频率特性 图9－2 二阶低通滤波器 电路性能参数 1 f uP R R 1A += 二阶低通滤波器的通带增益 RC 2π1f O = 截止频率，它是二阶低通滤波 器通带与阻带的界限频率。 uP A 31Q -= 品质因数，它的大小影响低 通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
使用仪表放大器的高性能加法器
电源招聘专家使用仪表放大器的高性能加法器 随着仪表放大器价格的逐步下滑，它们可以为传统上采用运算放大器的应用提供更高的性能。图1中的运放加法器有一些缺点。首先，输入端为中低输入阻抗，这是由每个信号的输入电阻所决定的。当驱动信号源阻抗较大，或需要设计低阻驱动源时，这种结构会产生增益误差。另外，电路也没有共模抑制能力，因此输入端必须是单端的。最大增益的通道限制了整个系统的性能。一个通道的较高增益会产生较低带宽、较大失真，并增加系统所有通道上的噪声。为限制这些作用，即使低性能的加法器也需要高性能、大带宽的运放。 这款运放加法器的噪声增益为1+10,000/(10||10,000)。最高增益的输入信号以及10Ω阻抗决定了噪声增益，但所有的输入缓冲器都增加了偏移电压、增益误差、噪声与失真。你可以用仪表放大器增加输入阻抗，提高共模抑制能力。一只仪表放大器的输出电压与正、负输入端之间的压差成正比。 图1，一种采用单运放的典型加法器结构。 在RG脚连接一只电阻RGAIN，就可将此信号放大（图2）。输出电压产生于参考脚与输出脚之间。这种结构可以用参考脚将一个加法器结构中的多个信号级联起来。每个仪表放大器的增益可以设定为不同值。
电源招聘专家 图2，两只仪表放大器为该加法器电路提供了更多的输入阻抗。 图3，在高于300 Hz频率下，仪表放大器结构表现出更强的THD+N性能。 本系统比简单的运放加法器有多个优点。例如，每个输入端都有极高的输入阻抗，并有独立的共模抑制能力，它由连接到该通道上的仪表运放所决定。通道增益越高，则共模抑制越大，得到的误差越小。还可以使用仪表放大器的反相与非反相端，方便地加减信号；如果愿意，该放大器也可以使用差分输入信号。此外，每个信号的失真、噪声增益和带宽都与其它信号无关，从而有较低的偏移电压、增益误差、噪声和失真。图3的THD+N（总谐波失真加噪声）图表明，仪表放大器加法器的失真为运放加法器的五分之一，哪怕所用仪表放大器的带宽为1MHz，并工作在1mA，而运放带宽为8 MHz，工作在4.5mA。