仪表放大器的设计
仪用放大器设计
仪用放大器使用注意事项。
仪表放大器的结构仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成，如图1所示。
在传统的三片运放方式的基础上做一些改进，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差，同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗，且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。
由于采用激光调阻，使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。
图1 仪表放大器的结构原理框图图1所示为BB（Burr Brown）公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。
在实际应用时，正负电源引脚处应接滤波电容C，以消除电源带来的干扰。
5脚为输出参考端，一般接地。
实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值，也将对器件的共模抑制比产生很大的影响，如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。
应用中应考虑的问题1 输入偏置电流回路一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。
仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为±5nA。
由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，对差分信号放大不会产生太大影响。
输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果电路中没有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关），使输入放大器饱和而失去放大功能。
（实验中好像是c）针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图2所示。
其中(a)为差分信号源阻抗较高（人体内阻算大还是小？接电极时是否需要导电膏之类的东西，这是人体电阻大约是多少？）时常用的形式，其中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；（c）为对称结构常用的形式。
仪表放大器课程设计要求
仪表放大器课程设计要求一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握仪表放大器的基本原理、结构和应用，提高学生的理论水平和实际操作能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解仪表放大器的基本原理和组成；（2）掌握仪表放大器的分类及其特点；（3）熟悉仪表放大器在实际工程中的应用。
2.技能目标：（1）能够分析仪表放大器的工作原理；（2）具备选用和调试仪表放大器的能力；（3）会使用仪表放大器进行实际测量。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对仪表放大器的兴趣，提高学习积极性；（2）培养学生团结协作、勇于探索的精神；（3）使学生认识到仪表放大器在工程中的重要性，提高学生的责任感。
二、教学内容根据课程目标，教学内容主要包括以下三个方面：1.仪表放大器的基本原理：介绍仪表放大器的工作原理、性能指标等；2.仪表放大器的分类及应用：讲解不同类型的仪表放大器及其在工程中的应用；3.仪表放大器的选用与调试：介绍仪表放大器的选用原则、调试方法等。
三、教学方法为了实现课程目标，我们将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解仪表放大器的基本原理、分类及应用；2.讨论法：学生针对实际案例进行讨论，提高学生的分析能力；3.案例分析法：分析具体工程案例，使学生了解仪表放大器的实际应用；4.实验法：安排实验室实践环节，培养学生的动手能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的理论知识；2.参考书：提供丰富的参考资料，帮助学生拓展知识面；3.多媒体资料：制作精美的PPT，提高课堂教学效果；4.实验设备：保障实验室实践环节的顺利进行，让学生亲身体验仪表放大器的工作原理和应用。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，我们将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、回答问题等环节，评估学生的学习态度和积极性；2.作业：布置适量的作业，评估学生的理解和掌握程度；3.考试：设置期中、期末考试，检验学生对课程知识的掌握情况；4.实验报告：评估学生在实验环节的操作能力和分析问题的能力；5.小组项目：评估学生在团队协作中的表现，包括沟通能力、协作精神等。
采用校正相位的仪表放大器设计
提 供最 佳 的交 流和 直流 共模 抑制 。构 建分 立仪 表放 大器 的一 大挑 战是 实现 与单 芯 片仪表 放 大器相 当的 共 模抑 制性 能 。
表 ２具有精确 匹配 电阻 的交流共模抑制 Ｇ Ｒ Ｍ
共模 电压 （Ｃ ） ＶＭ
０ Ｏ ＶＡ ． ０１ Ｃ
２ ０ ＶＡ ． ０ｌ Ｃ
双运放仪表放大器
１２ Ｖ ２
２４ ｍ ４ Ｖ
三运放仪表放 大器
９ ８ＵＶ
１９ Ｖ ９
新型三运放仪表放大器
８５７ Ｖ ．５ Ⅱ
嘞 。
Ｉ
然而 ， 两种 电路的交流 Ｃ Ｒ则不 同， Ｍ 如表 １ 所 示 。当在输入端施加并扫描一个较大的交流共模电 压时 ， 就会观察到性能差异 。下面是使用 Ａ Ｉ Ｄ 公司
Ａ ８０ Ｄ ６ ３运 算 放 大 器 的 电 路 测 试 结 果 。 电 源 电压 为 ±２５Ｖ， 模 电压 为 ００ １ ． 共 ．０ 增益 为 １０ ｍＶ， ０ 。误差 测 量在 ５ ０Ｈ 输入 信 号下 进行 ， 图 ５ 所示 。 ０ ｚ 如 ａ 然 后将 作 条 件更 改 为 共模 电压 ２０ １Ｖ和增 ［ ． ０
８
高共模抑制性能，该差动放大器要求匹配的电阻和
具 有高 Ｃ ＭＲ的 Ａ 运算 放 大器 。当 电阻匹 配精 度 为 ０１ ．％时 ， 流 时 可 以实 现 的最 高 Ｃ 直 ＭＲ为 ５ Ｂ。该 ４ｄ
Ｃ Ｒ会 随着 率而进一步降低 ， Ｍ 具体取决 于所选的
仪表放大器的设计与制作
电子线路CAD与电子工艺实训报告第七组仪表放大器的设计与制作班级：电本0501学号：0532110661姓名：王德权序号：16指导教师：姜李张娟2008年 1 月 16日一．实训目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图；3 熟练掌握印制电路板的生成，了解如何刻板；4 掌握基本焊接技术。
二．实训工具：Protel99seCircuitCAM电烙铁万用表模拟电子试验箱（含有+12V电源，+0V---+0.5V电源）其他必要检测设备三．仪表放大器原理：本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，他们的漂移和失调都具有互相抵消的作用。
后一个运算放大器组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
电容C用于除抖动和抗干扰。
工作原理：由于v—→v+，因而加在R7两端的电压为(vI1—vI2)，相应通过R7的电流i7＝(vI1-vI2)／R7，由于i→0，因而vo1＝i7R1+vI1，vo2＝i7R2+vI2，当，R1＝R2＝R时，vo1-vo2＝(1+2R／R7)(vI1-vI2)对U2而言，vo1加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理的输出电压。
vo＝—(R5／R3)vo1+R6／(R4+R6)vo2(1+R5／R3)由于R3＝R4，R5＝R6因而vo＝—(R5／R3)(vo1-vo2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）(vI1-vI2)仪器放大器的差值电压增益：Avf＝vo／(vI1-vI2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）上式表明，改变R7可设定不同的Avf值。
仪器放大器的共模抑制比主要取决于第—级集成运放U1和U3的对称性和各电阻值的匹配精度。
如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为→±0．001％，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。
必须收藏的仪表放大器设计及经典应用方案汇总
必须收藏的仪表放大器设计及经典应用方案汇总
仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。
仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
本文为大家介绍仪表放大器的设计及经典应用方案。
差分输入/输出低功耗仪表放大器
全差分仪表放大器具有其他单端输出放大器所没有的优势，它具有很强的共模噪声源抗干扰性，可减少二次谐波失真并提高信噪比，还可提供一种与现代差分输入ADC 连接的简单方式。
基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案
系统设计师喜欢将模拟链路设计得尽可能短，希望以此来提高信号抗外部噪声的能力。
过长的模拟链要求在后续电路中使用特定的信号处理电路。
使用仪表放大器(IA)连接传感器和ADC，在靠近信号源的地方将小信号放大可以改善一些应用的总信噪比，特别是当传感器不靠近ADC 时。
用于数据采集的超高性能差分输出可编程增益仪表放大器
有一种方法可以构建一个强大的模拟前端，以便在单一信号路径中实现衰减和放大，并且提供差分输出来驱动高性能模数转换器，将一个可编程增益仪表放大器，与一个全差分漏斗(衰减)放大器等级联。
该解决方案简单灵活，具有高速特性，并提供出色的精度和温度稳定性。
仪表放大器电路设计
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路。
仪表放大器设计和制作
仪表放大器设计和制作本仪表放大器是由三个OA27P 集成运算放大器组成，OA27P 的特点是低噪声、高速、低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算电路形式，其中前两个运放组成第一级，二者都接成同相输入形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。
后一个运放组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
经计算，本设计中仪表放大器的电压放大倍数Au=R5/R3(1+2R1/R2)=100，结果将在仿真中验证。
仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模抑制比，具有较低的失调电压，失调电流、噪声及飘移的放大器。
在使用时，在图1 中R4、R5、R6、R7 四个电阻要精密且匹配，否则将给放大倍数带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。
一、仪表放大器电路图本设计采用Prote199se 电路仿真软件，绘制电原理图后可自动生成印制线路板图.还可进行电路仿真。
绘制电原理图时特别要注意选择各种元件的封装形式.这也是后序能否成功自动布线的关键之一。
本设计中各元件的封装形式如下：电阻(AXIAL0.3)、电解电容(RB.2/.4)、瓷介电容(RAD0.1)、集成电路(DIP-8)、三端稳压块(TO-220)。
仪表放大器的电路图如图1。
图中R8 是原理图电气检查时附加的，实际制作时不用安装。
二、电原理图绘制与印制板图设计1、进入Prote199se SCH 界面，绘制电原理图；经电气检查(ToolERC)，无误后即可生成网络表(DesignGreat Netlist)。
2、进入Prote199se PCB 界面，绘制印制板图。
先确定外围尺寸：长50mm、宽25mm。
且要求外框接地又不能封闭如图2。
接着载入网络表(DesignLoad Nets)，把所有的元件合理地布到印制板图上。
进行自动布线参数的设置(OptionsRules)。
最基本的有三点：线宽、线距和层数。
仪表放大器电路分析
仪表放大器电路设计与比较智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。
对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。
放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
下面从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的特点，为学生进行电子电路实验提供一定的参考。
1．仪表放大器电路的构成及原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。
由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2．仪表放大器电路设计1）仪表放大器电路实现方案目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。
根据现有元器件，文中分别以单运放LM741和OP07，集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。
方案1：由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。
仪表放大器典型结构输出公式推导
仪表放大器典型结构输出公式推导仪表放大器（Instrumentation Amplifier）是一种特殊的差分放大器，常用于放大微弱信号，同时具备高输入阻抗、高共模抑制比和高增益等特点。
它的典型结构由两个差动放大器和一个缓冲放大器组成，可以通过推导输出公式来深入理解其工作原理。
我们来看一下仪表放大器的典型结构。
如图所示，仪表放大器由两个差动放大器（A1和A2）和一个缓冲放大器（A3）组成。
差动放大器A1和A2的作用是增益输入信号，并且具备高共模抑制比。
它们的输出分别为V1和V2，差模增益为G1。
通过差动对输入信号进行放大，可以减小共模干扰的影响。
缓冲放大器A3的作用是将差动放大器的输出信号进行缓冲，以提供给后续的测量或控制电路使用。
它的增益为G2，输出信号为Vo。
接下来，我们通过推导来得到仪表放大器的输出公式。
我们假设差动放大器A1和A2的增益为G1，差模输入电压为Vd，共模输入电压为Vc。
根据差模和共模输入的关系，我们有：Vd = (V2 - V1) / 2Vc = (V1 + V2) / 2差动放大器的增益G1为：G1 = Vd / Vc其中，Vd和Vc可以分别表示为：Vd = (V2 - V1) / 2Vc = (V1 + V2) / 2将上述表达式代入差动放大器的增益公式，我们可以得到：G1 = (V2 - V1) / (V1 + V2)接下来，我们考虑缓冲放大器A3的增益为G2，输入信号为差动放大器的输出信号Vd。
根据缓冲放大器的增益公式，我们有：Vo = G2 * Vd将Vd的表达式代入，我们可以得到：Vo = G2 * (V2 - V1) / (V1 + V2)仪表放大器的输出公式为：Vo = G1 * G2 * (V2 - V1) / (V1 + V2)通过推导输出公式，我们可以看到仪表放大器的输出信号与差动输入信号的差值成正比，同时与差动输入信号的和值成反比。
这样设计可以使得仪表放大器具备高共模抑制比，能够有效地消除共模干扰的影响。
设计仪表放大器原理图
4.元件属性编辑
元件属性编辑对话框
知识3 原理图设计工具栏使用
1.绘制电路工具条
打开连线工具条
连线工具条
2.绘制导线
连线步骤
3.绘制电源和接地符
接地和电源符号
4.设置电路I/O端口
制作I/O端口
5.电源和数字工具栏
电源工具栏
数字工具栏
重点提示
• 1．第一次操作Ptorel 99SE设计原理图时，图纸
放置元件方法2
4、编辑元件属性
编辑LM324属性
5、放置电源和地线符号 6、连线和调整元件位置
正确的画线起点
错误的画线起点
7、放置说明文字
1）文本框形式添加文字 •绘制文本框
•编辑文字
绘制文本框
编辑文本框内容
2）运用绘图工具栏添加文字
编辑文字对话框
8、下图是完成后的效果图，仅供参考。
完成实训效果图
• 4．软件各种操作均有快捷键，熟练运用可使操
作更便捷。
做一做
实训 设计仪表放大器原理图
实训目的：绘制四运放仪表放大器
实训器材：1、装有Protel 99SE软件的计算机 2、图纸一份，如下图所示。
VCC
11 4
J1
2 1
CON2
U1A
3
LM324 R3
1
2
R1 10k
100k
-VCC
C1
R7
1000p
10K
R5 10k
U1C
9
LM324
8
10
R2
U1B 100k
6
LM324
R4
R6
7
5
10k
仪表放大电路设计
仪表放大电路设计一、实验目的1．进一步了解运算放大电路的应用。
2．掌握仪表放大电路的调试及测量方法。
二、实验电路原理在自动控制和非电量系统中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。
但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大，有的甚至放大上千倍或上万倍，因此都采用这种仪表放大电路（如图1所示）。
电路有两级放大级，第一级由A1、A2组成，他们都是同相输入，输入电阻高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移；第二级由A3组成差动放大电路，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。
如果R2=R3、R4=R5、R6=R7改变R1的电阻阻值，即可调节放大倍数。
图1 仪表放大电路三、实验设备1.±12V 直流电源 4.直流电压表2.函数信号发生器 5.μA741x3、二极管、电阻器等3.双踪示波器（另配）四、实验内容及步骤1．检查芯片对照如图2所示检查芯片，先搭接成反相放大电路。
V I=0.1V、R1=10kΩ、R f=100kΩ、R2=10kΩ，测量V O的幅值。
2．μA741芯片检查无误后，按仪表放大电路图11-1搭接电路，令f=1kHz，V I1= V I2=0V，用数字万用表测量V O1=V O2=V O。
3．单端输入，v I1=5mV，f=1kHz的输入信号，测量输出电压v O的值。
4．双端输入，v I1=5mV，f=1kHz的输入信号，测量输出电压v O的值。
五、报告要求1．计算仪表放大电路的A V的值与理论值比较。
2．掌握仪表放大电路的应用范围。
图2 反相放大电路六、预习要求1.复习仪表放大电路的工作原理，推导出A V的计算关系式。
2.了解仪表放大电路在精密测量和控制系统中的应用范围。
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
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=49.4kΩ/R G+1，AD623的增益G=100k Ω/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-PCBAD620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。
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。
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。
仪表放大器的设计教材
仪表放大器的设计教材仪表放大器是用于放大小信号的器件，通常用于正弦波、脉冲或任何其他信号的放大或隔离。
在仪表放大器的设计中，需要考虑信噪比、增益、带宽和线性度等因素，以确保能够准确地放大信号并保持信号的完整性。
以下是一些可能有用的教材来帮助学生设计仪表放大器。
1.《仪表放大器设计指南》这本书是由Texas Instruments出版的指南，介绍了仪表放大器的设计和实现。
本书提供了深入的技术信息，包括放大器的基本原理、输入输出参数、电源电路和电路设计方案。
2.《放大器设计实用指南》这本书详细介绍了放大器的设计原理和技术细节，包括从设计目标到组件选择的所有内容。
读者将学习如何选择适当的电路元件，如何设计适当的放大器电路和如何测试和优化放大器。
3. 《模拟集成电路设计》这本书是一本全面的模拟电路设计教材，其中包括了仪表放大器的设计和实现。
此书介绍了模拟电路设计的基本原理和技术，并提供了大量的例子和实践经验，帮助读者深入了解模拟电路设计。
4. 《多策略放大器设计》这本书详细介绍了如何使用多种技术和策略来设计仪器放大器，以实现更高的放大增益和更好的性能。
书中涉及到的内容包括放大器技术、放大器与传感器的接口、放大器的噪声和抗干扰等方面，对设计过程进行了全面的讨论。
5. 《操作放大器和仪表放大器手册》这本书介绍了操作放大器和仪表放大器的基本原理和应用。
该手册提供了广泛的实践例子，阐述了设计、测试和调整仪表放大器和操作放大器的方法，能够帮助读者更好地理解仪表放大器的设计和使用。
以上这些书籍能够为学生提供深入了解仪表放大器设计原理和技术，并帮助他们掌握各种设计技巧，从而更好地完成实验和课程项目。
仪表放大器设计指南 第三版 01
Chapter-1: IN-AMP BASICS第一章第一章：：仪表放大器基本原理1. INTRODUCTION简介Instrumentation amplifiers (in-amps) are sometimes misunderstood. Not all amplifiers used in instrumentation applications are instrumentation amplifiers, and by no means are all in-amps used only in instrumentation applications. In-amps are used in many applications, from motor control to data acquisition to automotive. The intent of this guide is to explain the fundamentals of what an instrumentation amplifier is, how it operates, and how and where to use it. In addition, several different categories of instrumentation amplifiers are addressed in this guide.仪表放大器经常被误解。
并非所有用在仪器仪表应用中的放大器都是仪表放大器；也绝非所有仪表放大器只能应用于仪器仪表应用中。
仪表放大器应用于多种应用领域，从马达控制到汽车业的数据采集，等等。
本文目的就是解释什么是仪表放大器、仪表放大器如何工作、又如何应用，等等一系列基础知识。
此外，本文附有不同种类的仪表放大器供查询。
2. IN-AMPS vs. OP AMPS: WHAT ARE THE DIFFERENCES?仪表放大器 --- 运算放大器运算放大器：：区别何在区别何在？？An instrumentation amplifier is a closed-loop gain block that has a differential input and an output that is single-ended with respect to a reference terminal. Most commonly, the impedances of the two input terminals are balanced and have high values, typically 109Ω, or greater. The input bias currents should also be low, typically 1 nA to 50 nA. As with op amps, output impedance is very low, nominally only a few milliohms, at low frequencies.仪表放大器为闭环增益模块，为差动输入、单端输出（相对于参考端）。
仪表放大器设计指南第三版02
Chapter-2: INSIDE AN INSTRUMENTATION AMPLIFIER第二章：仪表放大器仪表放大器内部内部1. A Simple Op Amp Subtractor Provides an In-Amp Function简单运算放大器简单运算放大器型型减法器减法器实现仪表放大器功能实现仪表放大器功能The simplest (but still very useful) method of implementing a differential gain block is shown in Figure 2-1.差模增益模块最简单的实现方法如图 2-1。
If R1 = R3 and R2 = R4, then如果 R1=R3，R2=R4，那么 1212)(R R V V V IN IN OUT −= Although this circuit provides an in-amp function, amplifying differential signals while rejecting those that are common mode, it also has some limitations.虽然该电路可以实现仪表放大器的功能，放大差模信号而抑制共模信号，但仍有其局限性。
First, the impedances of the inverting and non-inverting inputs are relatively low and unequal. In this example, the input impedance to VIN1 equals 100 kΩ, while the impedance of VIN2 is twice that, at 200 kΩ. Therefore, when voltage is applied to one input while grounding the other, different currents will flow depending on which input receives the applied voltage. (This unbalance in the sources’ resistances will degrade the circuit’s CMRR.).首先，反相输入端、同相输入端的输入阻抗相对较低，而且不相等。
如何构建仪表放大器
如何构建仪表放大器
仪表是在有噪声的环境下放大小信号的器件。
它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大。
仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这共性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。
典型的被测信号可以是生物信号，如心电图(ECG)信号或者是来自诸如惠斯登电桥等的微弱信号。
因为这些信号源经常具有几千欧姆或更高的输出阻抗，因此仪表放大器需要具有很高的输入阻抗(典型数值在千兆欧姆级)。
此外，因为仪表放大器往往要驱动输入阻抗很低的后级，如A/D转换器等，因此要求仪表放大器的输出阻抗很低。
仪表放大器工作频率通常在直流到1 MHz之间，而在MHz级的速度下，输入比输入更为重要，因此这类应用要考虑用法差分放大器。
这种差分放大器输入阻抗较低，但速度要快无数。
常见仪表放大器差动放大器
差动放大器不是仪表放大器，但是有时可以用在仪表放大器的场合。
其电路只需一个，1所示。
在对高输入阻抗或者增益没有苛刻要求的场合，用法它是很便利的。
该电路的传递函数为：
Vout=R1/R2(VA-VB)
这一传递函数是在抱负运算放大器和抱负电阻器匹配条件下得出的。
然而，当电阻不彻低匹配时，同相放大电路和反相放大电路的传递函数不相等，就会有共模信号泄露出来。
以0.1%的电阻匹配误差为例，最差状况下CMRR为54 dB，即10 V的共模信号会产生20 mV的输出误差。
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仪表放大器的设计
目录一、绪言 (7)二、电路设计 (8)设计要求 (8)设计方案 (8)1、电路原理 (8)2、主要器件选择 (9)3、电路仿真 (10)三、电路焊接 (13)四、电路调试 (14)1、仪表放大电路的调试 (14)2、误差分析 (15)五、心得体会 (18)六、参考文献 (19)绪言智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。
对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。
放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出仪表放大器电路实现方案，通过分析，为以后进行电子电路实验提供一定的参考。
在同组成员张帅威、张智越的共同努力下，大家集思广益，深入探讨了实验过程中可能出现的各种问题，然后分工负责个部分的工作，我和张帅威负责前期的电路设计和器件的采购，后期的焊接由张智越完成，最后的调试由我们三个人共同完成。
本报告在做实验以及其他同学提出的富有建设性意见的基础上由我编写，报告中难免会有不足或疏漏之处，还望大家指正为谢！第一章电路设计一、设计要求1、电路放大倍数>3000倍2、输入电阻>3000kΩ3、输出电阻＜300Ω二、设计方案1、电路原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
仪表放大器设计指南第三版05
In general, like op amps, most monolithic in-amps have their integrators referenced to one or both power supply lines and should be decoupled with respect to the output reference terminal. This means that for each chip, a bypass capacitor should be connected between each power supply pin and the point on the board where the in-amp’s reference terminal is connected, as shown in Figure 5-2. 一般情况，像运算放大器、多数单片仪表放大器都有一个以电源为参考的积分器，同时也应该对输 出参考端实施退藕。方法就是，对每个芯片，仪表放大器参考端在电路板上的结点和每个电源引脚 之间连接一个旁路电容，如图 5-2 所示。
In Figure 5-3A, the input bias currents will charge up the ac coupling capacitors until the input common-mode voltage is exceeded. In other words, the caps will charge up to the supply line or down to ground depending on the direction of the input bias currents. Now, with a FET input device, and very large capacitors, it could take several minutes before the in-amp is rendered inoperative. As a result, a casual lab test might not detect this problem, so it’s very important to avoid it altogether. Figure 5-3B shows a transformer-coupled input with no center tap or other means for a dc return; so, the same problem occurs. 图 5-3A， 输入偏置电流会对耦合电容充电， 直到输入端的共模电压超过正常工作范围。 也就是说， 依赖于输入偏置电流的方向， 充电过程使耦合电容的电压最终上升到电源电压， 或下降到地电压 （或
仪表放大器（1）
仪表放大器（1）仪表放大器[浏览次数：约3444次]仪表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。
差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。
目录仪表放大器的简介仪表放大器的原理仪表放大器的设计要点仪表放大器的特点及应用仪表放大器的简介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，具有差分输出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出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置。
仪表放大器的原理用分离元件构建仪表放大器(ＩＡ）需要花费很多的时间和精力，而采用集成仪表放大器（ＩＡ）或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。
为了更好的理解仪表放大器（ＩＡ），了解共模抑制比（ＣＭＲ）的重要性，这里以惠斯通电桥变送器来进行说明，Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝５ｋΩ，激励电压（Ｖｅｘ）为１０Ｖ。
这样，在空载条件下，对“电桥”进行计算可得：Ｖ１＝Ｖｅｘ(Ｒ２／(Ｒ２＋Ｒ１))，Ｖ１＝５ＶＶ２＝Ｖｅｘ（Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ４）），Ｖ２＝５Ｖ所以：Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２＝５Ｖ－５Ｖ＝０Ｖ变送器输出就是电桥两个输出端的电压差（ΔＶ）。
假定有某个激励加在电桥的４个活动臂上，并使得Ｒ１和Ｒ４的值有所增加，同时Ｒ２和Ｒ３的值有所减少；此时若取：Ｒ１＝Ｒ４＝５００１Ω，Ｒ２＝Ｒ３＝４９９９Ω，Ｖｅｘ＝１０Ｖ，那么可得：Ｖ１＝５．００１ＶＶ２＝４．９９９Ｖ，实际上，人们所关心的信号是：ΔＶ＝Ｖ１－Ｖ２＝２ｍＶ。
因此，通过对共模电压（ＣＭＶ）进行计算可知：即便电桥不平衡，共模电压（ＣＭＶ）仍然等于（Ｖ１＋Ｖ２,／２＝５Ｖ。
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目录一、绪言 (7)二、电路设计 (8)设计要求 (8)设计方案 (8)1、电路原理 (8)2、主要器件选择 (9)3、电路仿真 (10)三、电路焊接 (13)四、电路调试 (14)1、仪表放大电路的调试 (14)2、误差分析 (15)五、心得体会 (18)六、参考文献 (19)绪言智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。
对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。
放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出仪表放大器电路实现方案，通过分析，为以后进行电子电路实验提供一定的参考。
在同组成员张帅威、张智越的共同努力下，大家集思广益，深入探讨了实验过程中可能出现的各种问题，然后分工负责个部分的工作，我和张帅威负责前期的电路设计和器件的采购，后期的焊接由张智越完成，最后的调试由我们三个人共同完成。
本报告在做实验以及其他同学提出的富有建设性意见的基础上由我编写，报告中难免会有不足或疏漏之处，还望大家指正为谢！第一章电路设计一、设计要求1、电路放大倍数>3000倍2、输入电阻>3000kΩ3、输出电阻＜300Ω二、设计方案1、电路原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。
由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2、主要器件选择（1）运放OP07OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等面。
（2）OP07特点：A.超低偏移：150μV最大。
B.低输入偏置电流： 1.8nA 。
C.低失调电压漂移：0.5μV/℃, 超稳定。
D.时间：2μV/month。
E.最大高电源电压范围：±3V至±22V。
（3）OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端4接地，5空脚 6为输出，7接电源“+”，如图2。
3、电路仿真(1)电路图的绘制根据所查资料用multisim11.0画出如图3所示电路图。
图3(2)参数确定A. 所设计的电路满足电路放大倍数>3000倍，如图4图4Av=（220.793/0.1）*1.414>3000 即满足设计要求（1）。
B.所设计的电路满足输入电阻>3兆欧原理：由二分之一分压法在输入端串联一个3兆欧的电阻，如图5图5由实验结果可知3兆欧的电阻分压为1.995uv，即原先电路输入电阻分的电压比较多，所以满足要求（2）。
C.所设计的电路满足输出电阻<300欧，如图6图6(3)元器件的采购根据上述的仿真结果，所设计的电路满足以上要求，最终确定的元器件见下表项目型号数量备注电阻10千欧 4 15千欧 1 360千欧 2 910千欧 2电容30uF 2 电解电容100uF 2 运放OP07运放 3第二章电路焊接1、电路板布局(1)元器件的布局原则：元器件之间的间距不能太小，另外使元器件的布局尽量美观。
另外，应该考虑实际的走线情况。
(2)走线原则：A.导线最好不要裸漏，以免发生短路。
B.导线走线在安全的前提下，应尽量保证美观。
C.注意OP07的管脚、电解电容的正负极的问题。
2、电路焊接原则：焊接的过程中，在原先布局的基础上，应能够保证焊接牢固，按照所设计的电路图焊接电路板。
特别要注意的地方是不用电络铁的时候不要长时间使其通电，否则会降低电络铁的寿命，此外，也要掌握焊接的技巧。
最终得到的电路板如图7、图8所示图7 图8第三章电路的调试1、仪表放大电路的调试图9根据调试所得的结果，放大倍数和仿真的结果（即理论值）之间存在一定的误差，此外输入电阻和输出电阻的测量就现有的仪器来看，还存在无法解决的问题，比如函数发生器不能够提供很微小的信号，再测量很微小的量实验室的仪器的精度不够高。
所以导致实际的误差有点大，最后测出的结果只能作为参考。
为了解决这一问题，特借用了其他实验室的设备，测得的结果如下：仪用放大器的放大倍数:实际的函数发生器输入信号有0.1mv，用交流毫伏表测得输入信号的有效值为0.038mv，如图9的输出波形基本无失真的情况，由交流毫伏表测得输出信号的有效值为115mv。
则放大倍数为3026倍，与理论值3146有较小的偏差，基本满足要求。
输入电阻以及输出电阻的测量：采用之前的二分之一分压法，所测得的结果基本与要求一致，输入电阻远大于3000千欧，输出电阻也比300欧小得多。
2、误差分析（1）仪器误差在实验室的仪器年代久远，又没有很好的维护，导致有些仪器的内部产生变化，当我们在不同的时间测量同样的量时，也会有不同的变化，比如实验室里的毫伏表，示波器，函数发生器，实验箱都存在一定的误差，给我们测量带来了很大的干扰，函数发生器输出的最小信号是0.9mv，不满足微小信号的条件，还有毫伏表测量的时候数值不稳定，函数发生器内部也存在很大的内阻，此外，示波器的维护也不够，很多示波器的精确度不够高，并且没有好的参照标准。
总之，仪器带给我们调试工作的挑战异常艰巨。
（2）电路误差A、共模抑制一个理想的仪表放大器将放大其反相和同相输入端之间的差分电压，而不受同时加在两个输入端的任何直流电压的影响。
因而，出现在两个输入端的任何直流电压将被仪表放大器所抑制。
这种直流或共模成分存在于许多应用之中。
事实上，消除这种共模成分正是仪表放大器在实际应用中的主要作用。
B、交流和直流共模抑制直流共模抑制欠佳会在输出端造成直流失调。
如果说这个误差还可通过校准解决，那么交流信号共模抑制不良则是个非常棘手的问题。
例如，如果输入电路被交流电中50Hz或60Hz信号所干扰，那么会在输出端出现交流失调电压。
这种电压的存在将导致系统分辨率下降。
只有在最高信号频率远低于50Hz或60Hz的应用中，才可通过滤波解决此问题。
C、噪声失调电压和偏置电流最终会在输出端导致失调误差，而噪声源则会降低电路的分辨率。
多数放大器中都存在两种噪声源，即电压噪声和电流噪声。
正如失调电压和偏置电流一样，这些噪声源对分辨率的影响程度也因应用而异。
D、增益误差集成仪表放大器的增益误差由两部分组成，即内部增益误差以及因外部增益设置电阻的公差导致的误差。
尽管使用高精度外部增益电阻可防止总增益精度下降，但将成本浪费在精度远远高于仪表放大器精度的外部电阻上并无多大意义。
同时，使用标准值电阻时，一般很难精确获得所需增益。
第四章心得体会通过全组人的努力，我们从最初的茫然到现在的略知一二，这其中离不开小组成员的不离不弃，仿真、采购、焊接、调试、焊接、调试……,由于一系列因素的干扰，使得我们的进程异常的缓慢，个中原因包括我们的失误、焊接的不仔细、实验室器材的老化……，最终还是在我们的坚持和老师的帮助下，我们的设计结果也只是差强人意。
在做本次的课程设计中，我们也试着总结了以下几点：(1)注意关键元器件的选取，比如对于我们的电路，要注意使运放A1，A2的特性尽可能一致；选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻，以获得尽可能低的漂移；对R3，R4，R5和R6的选择应尽可能匹配。
(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信号输入端增加RC低通滤波或在运放A1，A2的反馈回路增加高频消噪电容。
(3)在焊接之前，我们应该确定好整个电路板的布局以及走线，不要等焊到半途再来考虑。
(4)我们应该高度注意运放的管脚问题、门限电压的大小、电解电容的正负方向的问题。
总之，本次实验的收获还是挺多的，我们学会了怎样正确的去调试电路，怎样去分析问题，怎样的去解决忽然而至的问题，我相信这将是以后我实践的一笔巨大的财富。
第五章参考文献1、《仪表放大器电路设计》崔利平2、百度百科（OP07的中文资料）3、《电子线路设计·实验·测试（第三版）》谢自美4、《仪表放大器应用中的误差与误差预算分析》Eamon Nash（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。