智能化传感器中应用仪表放大器的电路设计解析

乔红霞

摘 要：仪表放大器在智能化传感器有着广泛的应用，具有高输入阻抗性、高共模抑制比、低漂移等特点，特别是在智能化传感器输出的小信号放大领域得到了广泛的应用。文章在阐述智能仪表放大器结构、原理的基础上，分析智能化传感器中应用仪表放大器的电路设计，并对其应用注意事项进行分析。

关键词：智能化传感器；仪表放大器；电路设计；应用

智能化传感器中应用仪表放大器能够有效收集和放大各种数据信息同时对共模信号还具有抑制的功能，但是在实际应用的时候需要充分考虑输入共模电压范围、增益选择、放大的差模信号频率、滤波、偏置电流等设计问题。智能仪表仪器输入的传感器信号，一般都具有微小的特征，信号幅度比较小，且在应用的时候还会出现噪声。文章结合仪表放大器结构和原理特点，结合实际具体分析仪表放大器的设计，结合每个电路的特点来为电路实验操作和设计提供重要的支持。

一、智能化传感器中仪表放大器的构成原理

仪表放大器的结构具体如图所示。经过图发现，仪表放大器主要由两级差放大器电路共同构成，同相差分的输入方式是A1和A2，通过同相输入能够在很大程度上提升电路的输入阻抗，减少电路对微小信号的衰减。经过不同的差入输入能够让电路对差模型信号进行放大处理，同时对共模输入信号起到的重大作用是跟随，从而让送到后级差模信号和共模信号幅度值，也就是共模抑制比得到提升，在CMRR要求不发生变化的情况下，可结合实际适当的降低电阻精确匹配要求，从而让仪表放大器线路比一般的差分放大线路具有更强大的共模抑制能力。

二、仪表放大器的电路设计

·智能化仪表放大器电路实现方案

现阶段，智能化仪表放大器的实现方式分为两种，一种是分立元件组成实现，另外一种是单片集成芯片作用实现。结合现有的元器件，具体以单运放和集成四运放为关键，结合具体实践设计出四种仪表放大器电路方案。第一，由三个通用运放组成的三运放仪表放大器电路，并配合电阻外围电路、A1和A2，将同相互信号段的桥式信号输入到相应的电路中。A1、A2和A3可应用LM741这种通用型运放替代。电路操作原理和构成和一般情况下应用的仪表放大器相同。第二，应用三个精确密度运放组成。第三，应用四运放集成电路为关键来实现，能够将四种功能的独立运放集成在一个芯片中，减少因为运放和制造工艺不同带来的器件性能差异，同时应用统一的电源能够在很大程度上降低电源本身的噪声。第四，应用单片集成芯片实现，具有电路操作结构简单、对电源要求低等方面的特点，在应用工作电源的情况下就能实现操作，设计效率和应用效率良好。【1】

·智能化仪表放大器性能测试分析

智能化仪表放大器电器电路的四种方案中应用的都是电阻组合而成的电桥电路形式，具体是将差分信号输入转变为单端的信号源V。智能化仪表放大器性能测试主要是从信号源的最大输入转变为最小输入，具体转变的数据信息如表一所示。智能化仪表放大器性能测试最大和最小输入主要是指在给定的测试条件下，在电路信息输入输出不失真的情况下来进行信号源的输入操作。仿真性的智能化仪表放大器性能要比一般测试性能高，在应用的时候不会受到外界的干扰。但是在实际测量中一般结合应用仿真测试和实际测试，先通过仿真测试确定电路结构和参数信息，之后通过实际电路测试对其性能指标和参数信息设置问题进行调整，在保证电路功能的基础上提升电路设计总体效率。

·智能化仪表放大器电路设计需要注意的问题

·智能仪表放大器的共模范围

在对智能仪表放大器内部结构分析之后发现，共模电压的输出电压是相同的，差模电压一般出现在增益电阻上，在电流经过之后智能仪表放大器会出现反馈电阻。因此可以证明，在输入一定的差模电压之后，反馈电阻电压范围会发生相应的变化。在输入的共模电压比电源电压1.25V小的时候会达到理想状态的共模抑制比，因而在共模电压比较大的额时候需要选择较高电压的智能仪表放大器。【2】

·智能化仪表放大器共模电压的频率范围

共模电压的频率越高，最终所能够体现的抑制效果就越不好，并随着频率的增加不断恶化这种情况。如果智能仪表放大器在100Hz的情况下很平坦，在频率超过100Hz的时候，智能仪表放大器就会快速的下降，这种现象的出现不仅不会抑制高频共模喜好，而且还会让共模信号失去调节的作用。因而对于RF干扰性强的场合，要尽可能选择共模抑制频率范围 强的仪表放大器。同时，要将高频噪声在达到精密智能化仪表放大器之前对其进行过滤操作。

·智能化仪表放大器的差模放大倍数

在理论下，调节智能化仪表放大器的增益就能将差模进行放大处理。但是实际上放大的差模和被测试的信号频率存在很大的关联。在被测试信号频率高的时候，增益的倍数会在无形中降低。在输入的信号频率是10kHz的时候，增益的效果不会超过80倍。智能化儀表放大器的设置可以参照各种类型仪表放大器的增益宽指标，在增益高的时候仪表放大器外接电阻会降低。【3】

·输入偏置的电流回路设计

在偏置电流回路设计的时候，主要是指在智能仪表放大器的输入端口中加入所需要的偏执电流。智能化仪表放大器的偏置电流分成多个纳安的形式，加上智能仪表当大气输入阻抗能力强，偏置电流会随着电压的输入变小，因此需要根据不同的适用场合来选择偏执电流回路接地形式。

结束语

综上所述，智能仪表放大器具有高精确度、低功耗、共模抑制性比较高的特点，被人们广泛应用在数据采集和放大中，智能仪表放大器能够对差分信号进行放大处理，对共模信号进行抑制。这个过程中需要考虑输入的共模电压范围、增益选择问题。文章在阐述仪表放大器电路结构、原理的基础上，通过仿真测试和实际性能测试分析了四种类型的放大器电路，总结出各自的优缺点，并讨论智能化仪表放大器在应用操作中需要注意的问题，旨在为相关人员设计仪表放大器提供重要的思路和意见参考。

参考文献：

[1]苏黎丽. 振动检测技术在涡街流量计中的应用[J]. 自动化与仪器仪表，2016，02：48-49.

[2]张文海. 基于电流传输器的检测电路的研究[J]. 西部皮革，2016，14：27.

[3]Don LaFontaine. 仪表放大器：传感器应用的理想电路[J]. 中国电子商情（基础电子），2016，08：25-29.