Multisim仿真-仪表放大器仿真电路

一、仪表放大器的实现原理

  仪表放大器在电路图中是一个运算放大器，但实际上由三个运算放大器组成，根据功能分为两部分。第一部分是右方的运算放大器以及$R_2$和$R_3$是作为输出级的差动放大器，其增益是$R_3/R_2$，这部分的输入电阻是$2\ast R_2$；第二部分是左方的上下两个运算放大器以及$R_1$则是输入级的电压跟随器，用来提升仪表放大器的输入阻抗；$R_g$则是决定仪表放大器的增益电阻，整个电路的增益为$\frac{V_{\text{out }}}{V_2-V_1}=\left(1+\frac{2R_1}{R_{\text{gain }}}\right)\frac{R_3}{R_2}$。当$R_g$移除时（断路），就是单位增益的跟随器，此时整个电路的增益是$R_3/R_2$。

二、Multisim实现仪表放大器

2.1、运放的选择

  运放选择双电源运放（电源正接VCC，电源负接-VCC）。如果选择单电源运放（电源正接VCC，电源负接地），则必须在Ref（图中的GND处）提供一个参考电压（通常是$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$），当做是输出电压的中间值。比如运放供电是+5V和0V，则Ref应该接一个2.5V的参考电压，这样可以保证输出电压最大化可以在0V~5V之间。

2.2、双电源仿真

  双电源仿真时，运放的供电采用±5V供电，Ref处接地即可。此处设置的仿真是$R_1=R_{\text{Gain}}$，$R_2=R_3$，此时仪表放大器的增益为3，因为输入的$V_{rms}=0.3\mathrm{V}$，所以输出的$V_{rms}=0.9\mathrm{V}$，${\mathrm{V}}_{p-p}=2\sqrt{2}{\mathrm{V}}_{rms}=2.5452\mathrm{V}$。使用探针测量的输出结果如图，有效值为3倍，频率依旧是3KHz。

  对于双电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（GND-0V），也是0V，因为运放本身存在输入失调电压等原因，输出是-400uV，接近于0V。

2.3、单电源仿真

  单电源仿真时，运放的供电采用5V和GND供电，Ref处接$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$。增益和双电源电路一样都是3倍，只不过输出的信号是以Ref为基准的，所以以GND为基准时，整个信号是有2.5V的DC偏置，所以可以看到$V_{DC}=2.5V$，${\mathrm{V}}_{p-p}=2.5452\mathrm{V}$是不会变化的，因为DC偏置不会改变峰峰值，但是有效值不再是3倍的关系。所以$V_{\text{rms}}\ne 0.9V$。

  对于单电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（VDD-2.5V），是$\frac{1}{2}\ast V_{\mathrm{C}\mathrm{C}}$即直流，这是与双电源供电不同的地方，所以单电源电路的增益公式变为$\frac{V_{\text{out }}-V_{Ref}}{V_2-V_1}=\left(1+\frac{2R_1}{R_{\text{Gain }}}\right)\frac{R_3}{R_2}$，因为双电源的$V_{Ref}=0V$，所以这个公式也适用于双电源。

参考

  参考1：维基百科-仪表放大器

  参考2：德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-仪表放大器