电桥放大器的原理及应用

电桥放大器的原理及应用

摘要：在非电量测量仪器中经常采用电阻传感器,通过对电阻传感器中电阻的相对变化的测量来检测一些非电量。电阻传感器都是通过电桥的连接方式,将被测非电量转换成电压或电流信号，并用放大器做进一步放大。这种由电阻传感器电桥和运放组成的运放电路被称为电桥放大器。电桥放大器是非电量测试系统中常见的一种放大电路[1]。本文将主要介绍电桥放大器的原理、应用及应用中出现的问题和解决办法。

关键词：电桥放大器；非电量测量；非线性误差

The Principle and Application of the Bridge Amplifier Abstract:Resistive sensors are often used in non-power measuring instruments and the measurement of the resistor's relative change in resistive sensor can be used to detect some of the non-electricity. Resistive sensors are based on the connection of the bridge and the measured non-electricity is converted into a voltage or current signal and then amplifier further amplification. The op amp circuit composed of resistive sensor bridge and op amp is called Bridge Amplifier. Bridge Amplifier is a common kind of amplifier circuit in a non-electricity test system.This article will focus on the Bridge Amplifier's principles,applications,application problems and solutions.

Keywords: Bridge amplifier；Non-power measurement；Nonlinearity error

引言

在现代电子技术的发展中，电子检测技术得到了广泛的应用，在非电量的检测中, 常常使用电阻传感器将一些非电物理量如压力、光、热、湿度、流量等转换为电阻量的变化, 然后再转换为电压进行测量。由于传感器的变化量常常是在一个参考状态的初始值基础上进行变化, 为了获取纯变化量, 一般利用电桥电路来抑制初始值。在电桥电路的输出较小时, 又需要用集成运算放大器与之配合, 这样就形成了应用广泛的电阻电桥传感放大器[2]。本文将对电桥放大器做一些研究，先阐述其基本原理，然后再讨论其应用及在应用中出现的问题和解决方法。

1电桥放大器

1.1 单端反相输入电桥放大器

图1所示为单端反相输入电桥放大器电路。图中，电桥对角线a 、b 两端的开路输出电压ab U 为

图1 单端反相输入电桥放大器

ab U 通过运算放大器A 进行放大。

由于电桥电源U 是浮置的，所以U 在1R 和2R 中无电流流过。因a 点为虚地，故0U 反馈到1R 两端的电压定是ab U -，即

于是可得

若令)1(3421δ+====R Z R Z Z Z ，，δ为传感器电阻的相对变化率，R R /∆=δ，则有

由此可知，单臂反相输入电桥放大器的增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定，只需要调节1R 或2R ，就可以方便的实现电路增益的调节。但该电路的电桥电源一定要浮置，这给电路设计带来麻烦，而且电路输出电压0U 与桥臂电阻的相对变化率δ是非线性关系，只有当1<<δ时，0U 与δ才近似按线性变化[3]。 1.2 差动输入电桥放大器

图2所示电路是把传感器电桥两输出端分别与差动运算放大器的两输入端相连，构成差动输入电桥放大器。

U

Z Z Z Z Z Z U )(

3

13424

ab +-+=U

Z Z Z Z Z Z R R R U )(3

13424

2110+-+=+23142011324-(1)()()

Z Z Z Z R U U R Z Z Z Z =+

++201(1)

412

R U U R δ

δ

=+

+

图2 差动输入电桥放大器

当R R >>2时有：

若运算放大器为理想工作状态，即N I u u =，可得：

设可变电阻的变化系数1<<δ,且R R >>2,则上式可以简化为：

式中E 为桥路的参考电压值。分析该式可知：

⑴ 当δ很小时，电桥放大器的输出电压与变量呈现线性关系，即此时非线性误差才可以忽略。

⑵在u 的简化过程中，基于假设条件，即R R >>2,获得了输出电压的简化式；由于输出电压的表达式中含有电桥电阻R ，因此，温度的变化将直接影响电桥元件R 的大小，直接影响运放增益的温度特性，因而在设计时要求R 和2R 的温度稳定性要好；如果R R >>2,则电桥负载的影响将不明显。

⑶该电路的主要优点是电路组成简单，只需要一个具有高共模抑制比的仪用运放，而且灵敏度较高。 1.3 宽偏移电桥放大器

上面两种电桥放大器，只有当δ很小时，输出电压和δ之间才具有较好的线性关系，当δ较大时（约大于0.1~0.2）时，非线性就变得逐渐显著起来。为了使输出电

2(1)

,222I N R E E u u

u R R δδ

+=+=

++22(1)

4

1()2

R E

u R δδ=+

+2

2E

u R R

δ=