改进型仪表放大电路的工作原理分析

1、 工作原理分析

改进型仪表放大电路如图1.97所示，元器件如表1.9所示。该改进型仪表放大器电路未使用差分电路而实现单端对地输出，使得电路更加简单。

图1.97 改进型仪表放大电路

表1.9 改进型仪表放大电路仿真元器件列表

1、偏置点分析：Bias Point

利用偏置点分析，计算小信号电压增益、输入阻抗、输出阻抗和每个元器件相对输出信号的灵敏度，仿真设置如下图所示。

图1.98 共模输入偏置点仿真分析设置

图1.99 差模输入偏置点仿真分析设置

共模输入偏置点仿真分析结果：

小信号特性：

电压增益：V(VOUT)/V_VC = 4.655E-06

通过仿真分析结果可得：当电阻匹配时共模输入信号VC电压增益为

差模信号VD电压增益为

共模抑制比为：

电阻R1和R3对输出电压最敏感，约为3.9%和-3.9%；电阻R2和R4灵敏度相对弱一些，约为1%和-1%。

2、瞬态仿真分析：Time Domain

图1.100 瞬态仿真分析设置

对电路进行瞬态仿真分析，将共模信号VC幅值设置为0，仿真设置如图1.100所示，仿真时间2ms、最大步长1us，仿真结果如图1.101所示。

图1.101 输入和输出电压波形及最值

即输入信号放大50倍。由图1.101可得，当输入信号为0.2V峰值时输出电压峰值约为10V，电路实现50倍放大功能，计算与仿真一致。

对电路进行瞬态仿真分析，将差模信号VD幅值设置为0，共模信号VC设置为1V，仿真设置如图1.100所示，仿真结果如下图所示。

图1.102 输出电压波形及最值

图1.102为瞬态仿真波形，V(VOUT)为输出电压波形。当R1=R2、R3=R4放大电路匹配时，共模放大倍数近似为0。从图1.102可得，当输入共模信号为1V峰值时，输出电压峰峰值为1.1mV，该电路能够对共模信号实现抑制。

3、交流仿真分析：AC Sweep

图1.103 交流仿真分析设置

对电路进行交流仿真分析，如图1.103所示，频率范围10Hz—3megHz，每十倍频20点，仿真结果如图1.104所示。

图1.104 输出电压波形

根据电路参数，放大倍数为50，当输入交流为1V时输出电压为50V，计算值与图1.104中仿真结果一致。

4、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

图1.105 直流仿真分析设置

图1.106 蒙特卡洛仿真分析设置

当差模输入直流电压为0.1V、共模输入为0时，对电路进行蒙特卡洛仿真分析，仿真设置如图1.105和图1.106所示。电阻容差为平均分布5%，仿真结果如图1.107所示，最大值约为5.372V，最小值约为4.694V，仿真次数为100。

图1.107 输出电压蒙特卡洛仿真数据

5、直流和最坏情况仿真分析：DC Sweep、Worst case

图1.108 最坏情况仿真设置

图1.109 最坏情况输出设置：输出最大值

直流和最坏情况仿真设置如图1.108和图1.109所示，输出最大值仿真结果如下：

通过以上分析可得，当电阻R3和R4取-5%容差、R1、R2和R5取5%容差时输出电压最大。

图1.110 最坏情况输出设置：输出最小值

直流和最坏情况仿真设置如图1.108和图1.110所示，输出最小值仿真结果如下：

通过以上分析可得，当电阻R1和R2取-5%容差、R3和R4取5%容差、R5保持不变时输出电压最小。

改进型仪表放大电路比通用仪表放大电路使用更少元器件，并且实现差分到单端放大，另外当电阻容差均为5%时，输出电压范围更加集中，当放大倍数在百倍以内时非常实用。

2、 附录——关键仿真器件模型

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