仪用运算放大器及其应用 实验报告

学号： 日期： 地点： 课程名称： 电路与模拟电子技术实验 指导老师： 张冶沁 成绩：__________________ 实验名称： 仪用运算放大器及其应用 实验类型： 电路实验 同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1．了解仪表放大器与运算放大器的性能区别； 2．掌握仪表放大器的电路结构及设计方法； 3．掌握仪表放大器的测试方法；

4．学习仪表放大器在电子设计中的应用。

二、实验内容和原理

1．用通用运算放大器设计一个仪表放大器（用LM358芯片） 2．用INA128 精密低功耗仪器放大器设计一个仪表放大器

仪表放大器是一种高增益放大器，其具有差分输入、单端输出、高输入阻抗及高共模抑制比等特点。仪表放大器采用运算放大器构成，但在性能上与运算放大器有很大的差异。标准运算放大器的闭环增益由反馈网络决定；而仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络，因此具有很高的共模抑制比KCMR，在有共模信号的情况下也能放大很微弱的差分信号。当前在数据采集、医疗仪器、信号处理等电子系统设计中普遍采用仪表放大器对弱信号进行高精度处理。常用的仪表放大器可采用由三个运算放大器构成，也可直接选用单片仪表放大器。单片仪表放大器具有高精度、低噪声、设计简单等特点以成为优选器件。

三、主要仪器设备

LM358芯片

INA128 精密低功耗仪器放大器

四、操作方法和实验步骤

两种仪表放大器的性能测量：

一、电压增益和最大不失真输出，并计算出共模抑制比

输入正弦波，改变输入信号幅度或频率，用示波器监测输出波形，在不失真的情况下，测量输入电压为最大或最小时的电压增益，及最大不失真输出电压，并计算共模抑制比。

二、输出端噪声电压

输入为0，用示波器测量峰峰值。

三、通频带的测量

用信号发生器改变输入信号频率，在示波器上测量通频带宽度。

五、实验数据记录和处理

1.INA128精密低功耗仪器放大器

电压放大倍数测量：

端口 Vs Vout Vout/2Vs

最大不失真电压： 端口 Vs Vout Vout/2Vs VRMS 89.5mV 9.3V 51.96 VPP 256mV 26.2V 51.17 VRMS 15.2mV 1.57V 51.64 VPP 43.2mV 4.4V 50.92

零输入电压时输出端噪声最大值约为VPP=10.2mV 通频带宽测量：

f 1kHz V0RMS 1.57V fh 470kHz 0.707V0RMS 1.11V

2.LM324构成的仪表放大器（调节RP=5kΩ）

电压放大倍数测量：

端口 Vin Vout Vout/2Vin

最大不失真电压：

端口 Vin Vout Vout/2Vin VRMS 298mV 9.01V 15.11 VPP 855mV 25.8V 15.08 VRMS 15.4mV 466mV 15.13 VPP 44.0mV 1.32V 15.00

零输入电压时输出端噪声最大值约为VPP=12mV 通频带宽测量： f 1kHz

V0RMS 458mV fh 71kHz 0.707V0RMS 324mV 六、实验结果与分析

INA128是精密集成器件，有较高的共模抑制比和较稳定的放大倍数，本实验中INA128的1号和8号口接的是RG=1kΩ，由此计算得理论电压放大倍数为

测得数据为非常接近理论值，最大不失真输出电压峰峰值为26.2V。查INA128技术参数得知其在电压放大倍数为100的情况下，带宽为200kHz，由通频带宽积得知当放大倍数为51倍时，通频带宽应该在400kHz左右，实验中测得通频带宽约为470kHz，考虑测试环境温度等因素不同，可以认为符合指标。零输入时出现的最大噪声电压峰峰值为10.2mV，多数时候在3mV以下，在精度要求不高的场合可以忽略。

使用通用运放搭建而成的仪表放大器接线较为繁杂，很容易出现接线失误。实验中设置RG=6kΩ，则由理论计算得放大倍数为

测得数据比较接近理论值，但略小于理论值，最大不失真输出电压峰峰值为3.20V，表明通用运放搭建的电路性能上要次于INA128。零输入电压噪声出现的最大峰峰值为12mV，多数时候也小于3mV，造成的影响相对于INA128更大，因为通用运放电路搭建的仪用放大电路工作范围较窄，其最大输入峰峰值仅为106mV，远小于INA128。通频带宽为77kHz，也是明显小于INA128。

对比两种仪用放大电路，基本上可以说明INA128在各方面均优于通用运放搭建的电路。

关于实验指导中要求的计算共模抑制比，我认为是实验设计不合理的地方。共模抑制比的定义是差模放大倍数和共模放大倍数之比，实验中测得的电压放大倍数，实际上是两者的综合，不过因为共模放大倍数通常远小于1，基本上可以认为是差模放大的结果。若要测量共模放大倍数，应该首先测量共模输入电压，而实验中我们所测的仅是两个输入端的电位差（差模输入大小），要得到共模输入信号，就应该分开测量两个输入端的对地电位，再进行相加，而且如果信号源性能足够好，得到的共模信号本身就应该为0。而本实验测得的零输入噪声，与共模放大倍数基本无关。因此无法通过本实验测得共模抑制比。

如果真的要测共模增益，测量方法我附在了后面的仿真当中。

七、讨论、心得

通过本次实验我熟悉了多种放大电路的工作原理和放大倍数的计算方法，更体会到了精密仪器和自己手动用通用元件搭建电路的差距，尽管原理相同，精密仪器却能够更为稳定地工作。但用简单的元件来完成复杂的功能也是非常有挑战性的。

前段时间我一直使用Pspice进行仿真，感到非常方便，但本次实验的仿真我发现了它的一个局限性，亦即当我搭建好通用运放构成的仪表放大电路后，因为电路中的点数过多，无法得到仿真结果，白费了一些时间。然后我又使用了Multisim仿真，可以顺利运行仿真，而且Multisim在分析功能上有比Pspice方便的地方，比如后面我附上的频率特性图，在Multisim中可以直接设置观察变量为两个交流量之比（Vout/Vin），但Pspice中并不允许，因为它的瞬态和频率扫描所使用的参数并不相同，而Multisim是统一的，而且默认为是交流信号的幅值，Pspice中必须手动输入表达式为max(vo)/max(vi)，较为麻烦。

1．差分放大电路的差模输出电压是与输入电压的差还是和成正比？ 答：差模输出电压与输入电压之差成正比，故称差模

2．测量差模放大倍数和共模放大倍数应选用什么测量仪器？为什么？

答：若输入为交流信号，则可以使用示波器或交流毫伏表测量；若输入为直流信号，不能使用交流毫伏表，因为交流毫伏表内的电容会阻断直流信号，示波器仍然可以使用

Multisim仿真

输入一定幅值正弦信号所得输入和输出波形：

输入为幅值15mV正常放大 输入幅值为1V输出已失真

用直流扫描观测输出电压和差模增益对输入电压的关系，得最大不失真输入幅值约为398mV

电压放大倍数的频率特性和通频带宽：

测共模增益电路（略去前级，直接对三运放输入共模信号）

共模信号频率特性分析，共模增益Ac=6.40×10-4

则共模抑制比KCMR=Ad/Ac=23944，即87.58dB，查技术手册得LM324共模抑制比参数典型值为70dB