测量放大器的设计

测量放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。本次设计就是围绕测量放大器展开的，测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，并且不对所测量的电路产生影响，这就是需要放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。

一、实验目的

学习测量放大器的设计方法，掌握测量放大器的调试方法。二、实验要求

在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器。测量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。请设计一个测量放大器：

指标要求：

a.当输入信号峰峰值uip-p=1mV时，输出电压信号峰峰值

uop-p=1V。

b.输入阻抗：Ri>1MΩ

c. 频带宽度：Δf（-3dB）=1Hz~1kHz

d.共模抑制比：CMRR > 70dB

三、实验内容

1、前端后端放大电路设计与论证

测量放大器部分

(1)低噪声前端放大电路的设计 最初方案如图1。本电路结构简单，输入阻抗较高，放大倍数可调，但是共模抑制比较小。实测只达到104，所以我们放弃本方案，选择了第二个方案，如图2。此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大，可满足要求。其中，直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106，交流信号的共模抑制比可达 2×105。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10 倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。

图1低噪声前置放大电路的设计

图2低噪声前置放大电路的设计

(2)程控增益放大部分:为了改变放大器的增益，一般有两条途径：一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。最终我们选择在负反馈网络上添加滑动变阻器来改变负反馈电阻阻值，从而改变放大器的增益。

最终我们在考虑方案二的基础上，并结合一些集成运放器的选择，我们前端放大器我们采取如下方案:

该电路实现|50|的放大增益

同理集成运放的放大特性，

可推出后端放大电路，其实现|20|倍的放大增益

这样便可以实现20*50=1000的放大增益2、总体电路图

3、主要电路的参数计算

（1）、放大倍数1000倍；

第一级差模放大倍数Av1计算如下：

-V i(-)) V02-V01=（1+2R2/R1)(V i

（+）

=(1+200/50)(V i(+)-V i(-))

=(1+200/50)(V i(+)-V i(-))

即差模增益Av1=5

第二级差模放大倍数Av2计算如下：

Av2=-R6/R4=-10

此级放大倍数Av2=-10

所以前端放大倍数Av=Av1×Av2=-50

同理可推出后端放大倍数

第三级差模放大倍数Av3计算如下：

Av3=1+R15/R12=4

第4级差模放大倍数Av4计算如下：

Av4=1+R14/R13=5;

其中R14调为40k

（2）、频带宽度：

第二级与第三级间加入二阶低通滤波器，根2*pi*fH=0.37/RC,其中fH=1kHz，可取值算出R、C

第三级与第四级加入二阶高通滤波器，对于二阶高通滤波器，由于其参数很难设定，我们可以先固定C=100nF，然后根据一阶高通滤波器的通带截止频率公式w。=1/RC,大概得出R的值，再在这个值的基础上，不断改变R的值，并观察波特图仪，当波特图仪的下限达到1Hz时，即达到设定要求，这部分很难操作，必须要有足够耐心，最后得出R=4.3M。根据低通的Wp=0.37/RC,我们可以近似推出高通的频带公式为Wp=1/（0.37RC）.

（3）、共模抑制比

共模抑制比主要由前端放大电路(第一第二级)的设计来决定。

在实际测量中，我们可以分别测量直流与交流情况下的共模抑制比，方法：在输入两端先输入若干差模信号，记下差模放大倍数，再输入若干共模信号，记下共模放大倍数，然后任取两值，即可算出共模抑制比。在直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106，交流信号的共模抑制比可达 2×105，从而达到了设计要求。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10 倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。

（4）、输入阻抗

输入阻抗并不需要实际去测量，实际运用中，我们都采用同相输入，有利于提高输入阻抗，再加之TL084具有高输入阻抗，因此输入阻抗趋于无穷，肯定满足设计要求。

四、放大器性能测试

放大器性能测试：

输入信号加入0.1mv，100Hz的交流电源，示波器置双通道观察测量放大器的输入输出波形。

对于测量放大器放大倍数的测量，读出示波器双通道显示的输入输出信号波形的峰峰值，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大倍数比较。

测量放大器的频率响应测试：

在放大器的输出端加入波特图仪，通过观察波特图的幅度图可以得出放大器的同频带。

仿真图如下：由图我们可以看出放大器的放大倍数近似为100倍，频带宽度近似为1Hz~1KHz.

五、实验心得

本系统为一放大倍数1000的测量放大器，该放大器有前、后端高共模抑制比放大器两大模块组成。较好地完成了设计要求，该设计最大的创新在于后端放大电路的设计，经测试后共模抑制比很高，但部分电路仍有待提高，指标也仍需改进。