测量放大器实验报告

测量放大器实验报告

一、系统功能及性能指标

A V D =1~500 U 0=±10V f =0~10HZ R id ≥2M Ω

U id =+7. 5V ~-7. 5V 时，K CMR >105 A VD =500时，噪声电压峰峰值

电路类型：测量放大器

二、实验目的

本实验是学习测量放大器的设计方法和掌握测量放大器的调试方

法。其中，测量放大器称为仪表放大器或数据放大器，是对微信号进行测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电压信号的放大，要求有较高的输入电阻来减少测量的误差和被测电路的影响。通过实验，熟悉OP07的参数和应用，掌握电路设计调试的基本流程和方法，通过分析和计算完成实验的内容。

三、实验要求

图（1）

1、差模电压放大倍数A V D =1~500，可手动调节； 2、最大输出电压为±10V ，非线性误差

3、在输入共模电压+7.5V～－7.5V 范围内，共模抑制K CMR >105； 4、在A VD =500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V ； 4、通频带0～10Hz ；

5、直流电压放大器的差模输入电阻≥2M Ω（可不测试，由电路设计予以保证）。

四、方案论证

在测量放大器的设计中，第一级应采用两个集成运放OP07同向

并联接入，组成同相的差动放大器，因为这样可以增强共模抑制能力。其中，要求两个运放的输入阻抗，共模抑制比，开环增益一致，这样才能保证具有差模和共模电阻大，还能保证使两运放的共模增益和失调及漂移产生的误差相互的抵消。

在第二级中，为了阻止共模信号的传递，差分放大电路在同向并

联电路之后再接上一个OP07，从而使双端输出变成单端输出。在输出端接一个电位器，使得电压放大倍数改变，实现放大倍数

A V D =1~500可调，从而完成本实验的要求。

六、OP07芯片手册

OP07简介：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

具有低失调、低漂移、低噪声、偏置电流小等优点。由于OP07具有 非常低的输入失调电压（对于OP07A 最大为25μV ），所以OP07在 很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低 （OP07A 为±2nA ）和开环增益高（对于OP07A 为300V/mV）的特点， 这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设 备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07特点：

（1） 低的输入噪声电压幅度-0.35uvp-p （0.1hz-10hz ） （2） 极低的输入失调电压-10uv （3） 极低的输入失调电压温漂-0.2uf/c （4） 具有长期的稳定性-0.2uv/mo （5） 低的输入偏置电流+1na～-1na （6） 高的共模抑制比-126db

（7） 宽的共模输入电压范围+14v～-14v （8） 宽的电源电压范围±3v ～±22v （9） 可替代725，108A ，741，AD510等电路 OP07管脚连接图：

OP07管脚连接图

OP07的各种参数：

七、系统硬件电路设计

测量放大器设计： 方案一：

（1）、电路的组成：

测量放大器是在差动放大器的基础上产生的，它具有双端差分输入、单端输出、高输入阻抗、高共模抑制比等特点。它由并联差值比例放大输入级和差动放大输出级两部分组成，测量放大器的失调与漂移，主要决定于差值比例放大电路。由于OP07具有输入失调电压，随着放大倍数的增大，会产生漂移，所以OP07需要额外的调零措施。 （2）、测量放大器原路图：

图（1）

（3）、工作原理：

如上图（1）中的原理图，由两个性能一致的同相放大器并联构成平衡对称差动输入级，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，共模输出、失调及漂移都相互抵消，所以，电路具有良好的共模抑制能力。其中，R 3和R 5取相同的值，用来消除偏置电流的影响，这种测量放大器的精度高，稳定性好。 （4）、电阻及电容的确定：

根据“虚短”和“虚断”的特点，因此：

U i 1=U a -------------------------------------------------------------------（1） U i 2=U b -------------------------------------------------------------------（2） U O 2-U O 1U b -U a

=

R +R W +R R W -----------------------------------------------------（3）

由（1）（2）（3）得：

第一级放大倍数：

U O 2-U O 1=

2R +R W

(U i 2-U i 1) R W

--------------------------------------------（4）

又因为：

U O =-R 2

（5） (U O 2-U O 1) --------------------------------------------------------R 1

由（4）（5）得： 第二级放大倍数：

U O =-R 2(2R +R W )

(U i 2-U i 1) ---------------------------------------------（6）

R 1R W

电路仿真的原理图：

测量放大器电路仿真图

这电路仿真图中，因为要保证R 3和R 5取相同的值，用来消除偏置电流的影响，这里取限流电阻R 1=R 2=4. 7k, 旁路电容C 1=1nF，取

R 3=R 5=100k，取R 4=50k，则：

由U O 2-U O 1=

R 3+R 5+R 4

(U i 2-U i 1) R 4

得：

第一级放大倍数=

R 3+R 5+R 4100+100+50

==5倍 R 450

因为实验要求倍数可调，则R 8要用可调的电位器，又因为要达到500倍，第一级5倍，则第二级必须达到100倍，这里取R 6=R 7=1k则：

由U O =-R 8

(U O 2-U O 1）

R 6

得：

第二级放大倍数=-R 8R

=-8=-100倍 R 61

则，解得：R 8=100K 又因为：R 6//R 8=R 7//R 9 所以：R 9=R 8=100k

因此： R 1=R 2=4. 7k, C 1=1nF，R 3=R 5=100k

R 4=50k， R 6=R 7=1k, R 9=R 8=100k

R 10=20k

差模输入电阻R id =2R 6 共模输入电阻R ic =R 6+R 8

方案二：

（1）、电路的组成与工作原理：

电路的前级放大采用差分式输入的方式，采用双端输入双端输

出，引用了共模抑制电路，能够有效的提高抑制共模抑制比，因为电路零漂的影响主要来自于第一级放大，所以第一级采用了差分式输入的方式，能够有效的提高电路的共模抑制能力。通过U O 3进行信号变换，将双端输入信号转变成单端输出。为了保证电路的对称，用可变电阻R 11与R 8进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，再接一级比例放大电路，通过R 12的阻值即可改变整个电路的放大倍数。由于OP07具有输入失调电压，随着放大倍数的增大，会产生漂移，所以OP07需要额外的调零措施。 （2）、测量放大器原路图：

（3）、电阻及电容的确定：

根据运放“虚短”和“虚断”的特点，因此：

U i 1=U A -----------------------------------------------------------（1） U i 2=U B -----------------------------------------------------------（2）

U R 2=U i 1-U i 2-----------------------------------------------------（3）

第一级放大倍数（差模放大电路）： 因为：

U O 1-U O 2U R 4

=

R 4R 3+R 4+R 5

--------------------------------------（4）

由（1）（2）（3）（4）得： U O 1-U O 2= 1+

⎝⎛

R 3+R 5

R 4

⎫⎪⎪(U i 1-U i 2)-------------------------------（5） ⎭

第二级放大倍数（求差电路）： 因为：U O 3=-

R 8

(U O 1-U O 2)---------------------------------------（6） R 6

由（5）（6）得： U O 3=-

R 8

(U O 1-U 02)=-R 8R 6R 6

⎛R 3+R 5

1+ R 4⎝

⎫

⎪⎪(U i 1-U i 2)-------------（7） ⎭

第二级放大倍数（反向比例放大器）： 因为：U O =-

R 12

U O 3------------------------------------------------（8） R 9

由（7）（8）得：

U 0=

R 12R 8

R 9R 6

⎛R 3+R 5 1+ R 4⎝

R 12R 8

R 9R 6

⎫⎪⎪(U i 1-U i 2)---------------------------------（9） ⎭

⎛R 3+R 5 1+ R 4⎝

⎫

⎪⎪--------------------------------(10) ⎭

即放大倍数：A V =

从（10）式中，可以看出通过调节R 12的值可以实现测量放大器的

放大倍数手动可调，前级主要用于抑制共模信号，并且提高整个电路的输入电阻，而不承担主要的放大倍数，放大倍数主要由最后一级反向比例放大器来实现。

这电路仿真图中，因为要保证R 3和R 5取相同的值，用来消除偏置

电流的影响，这里取限流电阻R 1=R 2=4. 7k, 旁路电容C 1=1nF，取

R 3=R 5=100k，取R 4=50k，则：

由U O 2-U O 1=

R 3+R 5+R 4

(U i 2-U i 1) R 4

得：

第一级放大倍数=

R 3+R 5+R 4100+100+50

==5倍 R 450

这里取R 6=R 7=1k, R 8=R 11=10k 则：

由U O 3=-

R 8

(U O 1-U 02)=-R 8R 6R 6

⎛R 3+R 5

1+ R 4⎝

⎫

⎪⎪(U i 1-U i 2) ⎭

得：

第二级放大倍数=-

R 8R 6

⎛R 3+R 5 1+ R 4⎝

⎫10⎛100+100⎫

⎪=- 1+⎪=-50倍 ⎪1⎝50⎭⎭

因为要实现放大倍数为0 ~ 500可调，又因为第二级的放大倍数为50倍，则第三级的放大倍数为10倍即可，这里取R 9=R 10=10k, 则：

可以解得：R 12=100k

因此：R 1=4.7k, R 2=4.7k, R 3=100k , R 4=50k, R 5=100k, R 6=1k

R 7=1k, R 8=10k, R 9=10k, R 10=10k, R 11= 10k, R 12=10k R 13=20k, R 14=20k, C 1=1nF

方案论证与比较：

在方案二中，放大的级数比方案一的级数多，虽然放大倍数越大，

但是误差也会越大，这样就比较难以控制。而且，前一级的漂移电压

也会被送到下一级中，这样会产生更高的漂移电压，又因为方案二的电路相对方案一而言比较复杂，所需的元器件也较多，而方案一电路简单，所用的元器件又比较少，可以达到实验的要求，又考虑到节约，所以舍弃方案二，本实验采用方案一。

PCB 板设计：

PCB 板原理图

PCB 板

八、系统调试和分析

（1）电路仿真测试：

1、差模放大倍数的测量：

（1）当R 8 100K*2%=2K时，放大倍数为10倍

放大倍数=11.85倍，存在有点误差。

（2）当R 8=100K*50%=50K时，放大倍数为250倍

放大倍数=248.5倍约等于250倍。

（3）当R 8=100K*100%=100K时，放大倍数为500倍

放大倍数=489.5倍约等于500倍。

2、最大输出电压测量：

通过电路仿真及对电位器的调节，通过一次次的仿真及参数对比，当R 8=2k 时，最终实现了最大输出电压为10V 的伏值。满足设计要求。

图（1）

由图（1）可以看出最大输出电压的伏值为±10V 。

3、共模抑制能力分析：

当双端输入时，即U i 1=U I 2时，输入共模信号大小相等，极性相同，

由波形可以看出，电路对输入的共模信号有抑制作用，满足实验的要求。

（2）电路板测试：

1、差模放大倍数的测量：

（1）当输入差模电压为40mV ，放大倍数为100倍时：

分析：从上图可以看出，输入差模电压40mV 时，输出电压为4V ，放大100倍，没有明显偏移，达到了实验的要求。

（2）当输入差模电压为40mV ，放大倍数为250倍时：