模拟工程—电路设计指导手册：运算放大器②

两级运算放大器仪表放大器电路

设计目标

设计说明

此设计将放大 V_i1 和 V_i2 之间的差异并输出单端信号，同时抑制共模电压。仪表放大器能否以线性模式运行取决于其主要构建块（即运算放大器）能否以线性模式运行。当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器以线性模式运行。这些范围取决于用于为运算放大器供电的电源电压。

设计说明

1. R_g 设置电路的增益。

2. 高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。

3. R₄ 和 R₃ 的比率可设置在删除 R_g 后的最小增益。

4. R₂ /R₁ 和 R₄ /R₃ 的比率必须一致，以避免降低仪表放大器的直流 CMRR 并确保 V_ref 增益为 1V/V。

5. 能否以线性模式运行取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。线性输出摆幅范围 在运算放大器数据表中 A_OL 测试条件下指定。

设计步骤

1.此电路的传递函数。

V_o = V_iDff * G + V_ref = （V_i2 - V_i1） * G + V_ref 

when V_ref = 0 the transfer function simplifies to the following equaction:

V_o = (V_i2 - V_i1) *G

where G is the gain of the instrumentation amplifier and G = 1 + 

2. 选择 R₄ 和 R₃ 以设置最小增益。

G_min = 1 + 

Choose R₄ = 20 kΩ

G_min = 1 + 

R₃ =  = 5 kΩ → R₃ = 5.1 kΩ （Standard Value)

3. 选择 R₁ 和 R₂。

确保 R₁ /R₂ 和 R₃ /R₄ 的比率一致，以将应用于基准电压的增益设置为 1V/V。

R₁ = R₃ = 5.1 kΩ & R₂ = R₄ = 20 kΩ（标准值）

4. 选择 R_g 以实现所需的最大增益 G = 10 V/V。

G = 1 +  = 1 +  = 10 V/V

R_g = 8 kΩ → R_g = 7.87 kΩ（标准值）

设计仿真

直流仿真结果

瞬态仿真结果

设计采用的运算放大器

设计备选运算放大器

三级运算放大器仪表放大器电路

设计目标

设计说明

此设计使用 3 个运算放大器构建分立式仪表放大器。电路将差动信号转换为单端输出信号。仪表放大器能否以线性模式运行取决于其构建块（即运算放大器）能否以线性模式运行。当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器以线性模式运行。这些范围取决于用于为运算放大器供电的电源电压。

设计说明

1. 使用精密电阻器实现高直流 CMRR 性能

2. R₁₀ 设置电路的增益。

3. 向输出级添加隔离电阻器以驱动大电容负载。

4. 高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。

5. 能否以线性模式运行取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。线性输出摆幅范围在运算放大器数据表中 A_OL 测试条件下指定。

设计步骤

1. 此电路的传递函数：

2. 选择反馈环路电阻器 R₅ 和 R₆：

Choose R5 = R6 = 10kΩ （Standard Value）

3. 选择 R₁、R₂、R₃ 和 R₄。要将 V_ref 增益设置为 1V/V 并避免降低仪表放大器的 CMRR，R₄/R₃ 和 R₂/R₁的比值必须相等。

Choose R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = 10Ω（Standard Value)

4. 计算 R₁₀ 以实现所需的增益：

G = （Standard Value）

R₄ = R₃ = 10kΩ

（1）

5. 要检查共模电压范围，请从参考文献 [5] 中下载并安装程序。通过为内部放大器具有所选放大器（在本例 中为 TLV172）所定义的共模范围、输出摆幅和电源电压范围的三级运算放大器 INA 添加代码，对安装 目录中的 INA_Data.txt 文件进行编辑。此设计中没有 V_be 变化，并且输出级差动放大器的增益为 1V/V。 默认电源电压和基准电压分别为 ±15V 和 0V。运行程序并相应地设置增益和基准电压。结果 V_CM 与V_OUT图近似于分立式 INA 的线性运行区域。

设计仿真

直流仿真结果

瞬态仿真结果

设计采用的运算放大器

设计备选运算放大器