儀表放大器放大倍數分析

儀表放大器是一種非常特殊的精密差分電壓放大器，它的主要特點是采用差分輸入、具有很高的輸入阻抗和共模抑制比，能夠有效放大在共模電壓干擾下的信號。本文簡單分析一下三運放儀表放大器的放大倍數。

一、放大倍數理論分析

三運放儀表放大器的電路結構如下圖所示，可以將整個電路分為兩級：第一級為兩個同相比例運算電路，第二級為差分運算電路。

1、第一級電路分析

根據運放的虛短可以得到：

同時根據虛斷可以得到流經電阻R1、R2、R3的電流近似相等，記為I。

易知

此時可以得到

因此，第一級電路的電壓放大倍數

值得注意的是，該放大倍數為差模電壓放大倍數。

當輸入信號為共模信號時，

因此，流經電阻R3的電流

此時兩個運放相當于兩個電壓跟隨器，因此其共模增益為1。

根據上述分析可以得到：

（1）輸入端的兩個同相比例運算電路可以提高整個電路的輸入阻抗；

（2）差模增益可調，共模增益始終為1，提高差模增益可以提高共模抑制比。

2、第二級電路分析

假設R4=R5、R6=R7，此時根據差分放大電路的放大倍數計算公式可以得到第二級電路的差模放大倍數

因此該儀表放大器的差模放大倍數

二、仿真分析

令電阻R1=20kΩ，R2=R3=R4=R5=R6=R7=10 kΩ，在電路的兩端輸入頻率為10Hz，直流分量為1V，峰峰值為200mV，相位相差180°的兩路正弦信號。根據上述理論分析可得，第一級電路的差模放大倍數為2，共模放大倍數為1；整個電路的放大倍數為2。

1、觀察第一級電路的輸入與輸出波形，即（V2-V1）與（Vo2-Vo1）的波形，可以看出，第一級電路的放大倍數近似為2，符合上述理論計算。

2、觀察第一級電路的單端輸入輸出波形，即V1與Vo1的波形，可以看出，輸入共模信號為1V，輸出共模信號仍為1V，共模增益為1，與理論分析相符。

3、觀察整個電路的傳遞函數，可以看出，整個電路的放大倍數近似為2，符合理論計算，同時根據仿真結果也可以看出，儀表放大器具有很大的輸入阻抗，其輸出阻抗則很小。

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