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。用于为运算放大器供电的电源电压定义这些范围。

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 的比率可设置在移除 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。
   $V_o=V_{iDiff}\times G+V_{ref}=\left(V_{i2}-V_{i1}\right)\times G+V_{ref}$
   当
   $V_{ref}=0$
   传递函数可简化为：
   $V_o=\left(V_{i2}-V_{i1}\right)\times G$
   其中 G 是仪表放大器的增益，而
   $G=1+\frac{R_4}{R_3}+\frac{{2R}_2}{R_g}$
2. 选择 R₄ 和 R₃ 以设置最小增益。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{G}}_{\min }=1+\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}=5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_4=20\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{G}}_{\min }=1+\frac{20\mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_3}=5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ {\mathrm{R}}_3=\frac{{\mathrm{R}}_4}{5-1}=\frac{20\mathrm{k\Omega }}{4}=5\mathrm{k\Omega }\to {\mathrm{R}}_3=5.1\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{Value}) \end{gathered}$$
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。
   $$\begin{gathered} \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}\_\mathrm{ref}}}{\mathrm{Vref}}=\left(-\frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_4}\right)\times \left(-\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)=\frac{{\mathrm{R}}_3\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_4\times {\mathrm{R}}_1}=1\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\to {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_3=5.1\mathrm{k\Omega }\mathrm{ }\mathrm{and}\mathrm{ }{\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4=20\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standad} \mathrm{Value}) \end{gathered}$$
4. 选择 R_g 以实现所需的最大增益 G = 10V/V。

设计仿真

直流仿真结果

瞬态仿真结果

参考资料

德州仪器 (TI)，SBOMAU7 仿真文件，软件支持

德州仪器 (TI)，双运放仪表放大器的 V_CM 与 V_OUT 关系图，模拟设计期刊

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器