雙運放儀表放大器電路及分析
煤炭科學研究總院太原分院張小剛李明韓炬
摘要介紹了由兩個運放單元組成的儀表放大器電路，並對其進行了較為深入的分析，提出了應用該電路的注意事項。
關鍵詞儀表放大器運算放大器雙運放結構
儀表放大器在感測器、變換器及儀器儀表中被廣泛使用，對於煤礦產品也不例外。不過，最常見的是採用專用儀表放大器ic或三運放結構的儀表放大器電路，而採用雙運放結構儀表放大器電路的卻很少，也許原因在於雙運放結構儀表放大器電路很少為人所知，教科書上也很少介紹。其實，雙運放結構儀表放大器電路的使用效果也非常好，其結構、效能等都很優越，如果精度等要求不是非常高的話，使用lm324或lm358之類的通用運放就可以實現。
下面就介紹一種雙運放結構儀表放大器電路，並對它進行一些必要的分析，供大家參考。
雙運放儀表放大器電路如圖1所示，、是放大器差動高阻輸入，是基準電壓或偏置輸入，是放大器輸出。
圖1 雙運放儀表放大器電路
1 輸入輸出關係
由可得 (1)
2)當時，
3)當電阻不匹配時，會產生電阻不匹配誤差。
設電阻不匹配誤差，則：
4)2 誤差分析
由式（4）可以看出，當電阻不匹配時放大器將會產生輸出誤差，但這誤差只與和有關,而與無關。因此，如果是個恆定量（比如在半橋電路中），產生的誤差僅僅是不隨被測訊號變化的靜態誤差。對於這種靜態誤差，通過調節偏置輸入電壓就可以把它們抵消掉。
比如，在正、負電源供電的放大電路中，調節可以使；在單電源供電的放大電路中，如果輸出範圍是1～5 (或通過變換成4～20)，則通過調節可以使。
但是，如果是乙個變化的訊號，那麼它就會產生動態誤差，對於這種誤差，採用上述辦法是無法抵消掉的。那麼，電阻不匹配將會造成多大的動態誤差呢？為了分析這一問題，這裡用來替代（4）式中的，其中前者表示一恆定量，後者表示一動態量。
這樣，總誤差就是靜態誤差與動態誤差之和，其中：
靜態誤差5）
動態誤差6）
動態共模增益7）
動態共模抑制比8）
其中表示差模增益。
為了感受電阻不匹配對放大器動態精度的影響，下面計算幾組資料。
假定最大動態變化量,放大器額定輸出電壓，即，並假設==r ， ==r 。
1）電阻誤差為±時，設、、、，則
電阻不匹配誤差：
最大動態誤差：
最大相對動態誤差：
動態共模抑制比：
2）電阻誤差為±時，同理可得:
電阻不匹配誤差
最大動態誤差
最大相對動態誤差:
動態共模抑制比:
3）電阻誤差為±時，同理可得:
電阻不匹配誤差
最大動態誤差
最大相對動態誤差:
動態共模抑制比:
3 電路特點
從上面的誤差分析中可以看出這種放大器電路的一大特點，即電阻不匹配產生的誤差只與和有關,而與無關，而且對動態誤差的影響並不十分大。這主要得益於其誤差與放大倍數無關，也就是說這種放大器對這類誤差不產生放大作用。
當然，除上述誤差之外，運放的輸入失調電壓也會導致誤差，並且它是與放大倍數有關的，不過，這種誤差仍然屬於靜態誤差，通過調節就可以抵消掉。
另一大特點也許是人們更看重的，那就是這種放大器電路只需使用兩個運放單元，而且電路十分簡單，但它卻可以實現和高阻差動輸入、可調放大倍數，還附帶乙個基準電壓或偏置輸入，這些給電路的構成、調節以及輸出偏置、靜態誤差補償等提供了極大的方便。
4 注意事項
本電路在電路設計時一定要注意運放輸出電壓的變化範圍，避免其超出有效工作範圍。下面舉個例子，用兩種方案說明這個問題。
假定放大器供電電壓為,差動輸入電壓以為基準偏差為，要求輸出電壓，所以差模放大倍數，下面以，，進行計算。
方案一：取電阻，，則
方案二：取電阻，，，則
比較上面兩個方案，不難看出，兩種不同的電阻配比都能達到總的差動放大倍數的要求，但是的變化範圍有很大區別，在前一方案中是，後一方案是。大家知道，一般的運算放大器最高輸出電壓要比供電電壓大約小，供電情況下，它的輸出電壓最大值僅為，所以方案二顯然不可取。
所以在設計電路時一定要注意電阻的選配對運算放大器輸出電壓變化範圍的影響，電阻匹配不當可能導致整個電路無法正常工作。
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