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5.3 差动输入比例放大器的误差分析
由于放大器的性能对整个仪器的精度有很大的影响，因此，要对放大器组成的放大电路进行误差分析。实际比例运放电路输出电压的实际值U0与按理想情况计算所得的输出电压的理想值U0之间总是存在误差：
'?U0?|U0|?|U0|
在工程实际中常用相对误差表示，即：
|U|?|U0|??0?100%
|U0|''放大电路的误差来源主要有两个方面，一个方面是元件性能不理想，另一个方面是放大电路的工作条件不理想。在低频状态下，主要考虑网络电阻、差模放大倍数、运算开环输入阻抗、共模抑制比、运放输入偏置电流、输入失调电压、失调电流及温漂的影响。
1、网络电阻引起的误差。电阻实际值与标称值相比存在误差，而实际的大小随温度升高而增加，这样就使放大电路产生误差。
2、共模抑制比COMR有限引起误差。在反相输入的情况下，两输入端不出现共模信号，因此COMR对放大器的工作没有什么影响。但在同相或差动输入的情况下，在两输入端将会出现共模信号，从而引起误差，为了减小误差，应采用共模抑制比大的集成运放。另外，差模信号的相对大小对误差也有明显的影响。
3、差模放大倍数Aod与开环输入阻抗Rid影响。Aod和Rid在实际工作中均为有限值，在设计时将它们均理想化，即为无穷大。因此会产生误差。
4、输入偏置电流IiB，输入失调电压Uio，输入失调电流Iio及温漂对误差都有影响。
通过以上分析，可得如下的结论： 1）为减小误差，应进行调零。
2）输入信号的幅值越大，相对误差的绝对值就越小。
3）为了提高稳定性和精度，应选择dUi0dt和dUi0dt小的集成运放，电阻
R1,R2和RF应取得适当小一些，并应尽量提高运放电源的稳定性，同时尽量减小温度的
变化对提高放大电路的稳定性和精度也是很重要的。
5.4 实际放大电路的设计 5.4.1 信号放大器的选择
随着集成运算放大器的性能不断完善和价格下降，传感器的信号放大越来越多地采用集成运算放大器。集成运算放大器是一种具有高增益的多级放大器,能够放大直流至一定范围的交流电压。早期的运算放大器主要用于模拟计算机中。运算放大器能够实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，所以叫做运算放大器。运算放大器是把传感
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第五章 传感器信号放大电路
器输出的毫伏级信号转换为伏级信号的主要部件，一般放大器输入信号在0～15mV，输出信号电压0～5V，这就是说要求运放具有200～500的电压放大倍数，这里我们使用了国产第四代运放CF7650（相当于国外同型号的ICL7650）芯片，该芯片具有低的输入失调电压，较低的输入偏值电流，极高的电压增益和电压抑制比，单电压3～18V,电流2～4mA，输入电压范围较宽。
本设计采用上海无线电五厂生产的CF7650集成运放，原型号为5G7650。
CF7650是第四代集成运放，是现行性能很优越的集成运放，内部设有时钟、误差检测校零电路，从而实现自校零。在?25～?80?C的工作范围，失调电压温度漂移在0.001?V/?C，故每月漂移低于1?V，且由于输入电阻很高，则输入电流很小，典型值10?10A，而开环电压增益很高，典型值140dB，共模抑制比高于130dB。
OOO图5-3 CF7650双列直插封装图 Fig 5-3 The picture of CF7650
CA、CB —外接电容端，以使内部有时钟产生 CRETN —外接电容公共端 IN- —反相输入端 IN+ —同相输入端 OUT —输出端
CLAMP OUT —输出复位端
INT/EXT —时钟控制端，当使用内部时钟时，此端开路成接V?，当使用外部时钟时，此端接V?，并在13脚加入外部时钟信号。
CLK IN：外部时钟输入
CLK OUT —时钟输出端，用来观察时钟信号或利用时钟控制其它电路 V+ —正端电源 V - —负端电源
CF7650型运算放大器主要性能指标如下：
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电源电压极限：?7.5V
共模输入电压范围：（V??0.3～?0.6）V 时钟频率：200～300Hz
开环电压放大倍数：?RL?10k??5?106倍 共模抑制比：130dB 输入电阻：1012? 单位增益带宽：2.0MHz 电源电流：?RL?10k??2.0mA
5.4.2 集成运算放大器的应用及主要特性参数
近些年来集成运放的发展，使之完全成为模拟系统中的一个基本的有源器件，其应用范围早已远远超过实现各种模拟运算功能。在现代电子线路设计中，各种信号放大电路、信号处理电路、信号产生电路等等，均可由集成运放来构成。 1.开环电压放大倍数Ad
它定义为运算放大器在没有任何外部反馈情况下的差摸直流电压放大倍数。即它是在放大器开环情况下（实际上就是指运算放大器本身的），输出电压与输入差动电压的比值。如图5-4所示，其中U-表示为加到反相端的输入电压，U+表示为加到同相端的输入电压，则有：
Ad =
UoUi
图5-4 开环电压放大倍数Ad的定义
Fig 5-4 The defining of Ad with pen-loop voltage amplification multiple
Ad 反映了对输入到运算放大器两输入端信号差值的放大能力。一般希望Ad值越大越好，Ad通常指的是直流放大倍数，实际上，运算放大器在交流信号输入情况下，其交流放大倍数是随输入信号频率的不同而不同的（这不仅在幅值上，而且在相位上也是如此），因此其交流放大倍数是频率的函数。即使这样，由于运算放大器的频率有一定的宽度，在低频交流信号输入时，运算放大器的交流放大倍数和其直流放大倍数基本一样。所以，为了克服运算放大器失调带来的测量误差，Ad值的测量实际上是在输入低频（100～400Hz）交流信号下进行的。如用
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对数表示就称为开环电压增益GOL ,即GOL = 20lgAd 2.输入失调电压Uos及温度漂移△Uos/△T
运算放大器两输入端接地，并把调零端子短路时，由于制造上的不对称，总有一定的电压输出，称为失调电压UOFF ，把它向放大器的输入端折算，即除以差动放大倍数Ad ，就称为输入失调电压，有Uos =UOFF/ Ad 。
要注意的几点是，首先Uos定义（或测试）的条件，为了排除运算放大器的共模影响，只将两输入端短路是不够的，还必须把它们接地。同时，为了排除外界因素的影响，只考虑放大器本身电路不对称造成的失调，所以必须把调零端子短路。
3.输入偏置电流Ib+和Ib-
为了保证运算放大器差动输入级电路的正常工作，要给两晶体管有一定的偏置电流。指输入信号为零时，同相、反相输入端的静态基极偏置电流。它们的大小取决于输入级晶体管的电流放大系数。选择运算放大器时，应使其输入偏置电流值越小越好。
如果在温度和电源电压等不变的条件下，尽管引起的误差可通过调零的方法消除，但这些参数本身并不是不变的，而是随温度和电源电压等条件变化而变化的，难以用调零来消除。因此，要从集成运放的失调电压和失调电流的温度系数考虑。
通过前面的分析，可以得出提高放大电路精度和可靠性的措施：
第一 合理选择合理器件。构成比例放大电路的元器件主要是集成运放和电阻、电容，他们的种类型号较多，误差分析说明：若元器件质量太差，即使电路结构设计较优、工艺先进，也不能满足要求。因此，要在保证性能要求的前提下，尽量选择体积小，安装调试方便，价格合理、性能稳定的器件。
第二 应精心进行电路结构设计和工艺设计。应综合考虑电路的各项性能指标来确定元器件的参数，充分发挥其性能，并设法弥补某些不足，要制作一个实用可靠的精密放大器，必须重视安装调试工艺。事件证明，即使元器件和电路设计都很合理，但由于工艺设计和布线不合理，焊接质量不高，接插件接触不良，工作环境太恶劣等原因，使电子设备仍然达不到设计指标，甚至报废。
第三 抑制干扰和噪声。抗干扰能力和信噪比是放大电路的性能指标之一，放大电路的输入信号越弱，干扰和噪声的影响越大，严重时会使放大电路无法正常工作。因此，在解决了精密放大电路的设计和元器件的选择后，还必须解决抑制干扰和噪声的问题，具体措施如下：
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（1） 尽量避开高压电网、电焊机、电力变压器、电机、交流接触器、晶闸管等干扰源。
（2） 对于以电场或磁场形式进入的干扰，可将放大电路装在金属罩里并将其接
地，利用屏蔽使之削弱，与外部的连线采用金属屏蔽电缆。
（3） 对于通过输入线或电源进入的干扰，加滤波可有效的削弱。一般电阻应变
式载荷传感器所检测的信号是缓慢变化的，对此要在放大电路的负反馈电阻两端并联电容来虑波。
（4） 为了减少噪声干扰，仍然要从元器件选择做起，应尽量选用噪声小的运放
和电阻。应该注意，电阻越大，它产生的噪声也越大，因此应避免使用高阻值的电阻，为了减小噪声，最好选用线绕电阻。
第四 一个系统的精度和可靠性，取决于系统内的每一部分的精度和可靠性，而每一部分都只有建立在结构简单、元器件性能稳定可靠的基础上才能保证有足够的可靠性和稳定性。如果结构复杂，所采用的器件多，那么误差和噪声干扰的环节就多，精度和可靠性差。但电路结构太简单，则实现的功能有限，精度也有所下降，因此必须在选用元器件、电路结构设计和工艺成本等方面综合考虑找到一个最佳的结合点。应合理选择元器件。构成比例放大电路的元器件主要是集成运放和电阻、电容，他们的种类型号较多，误差分析说明，若元器件质量太差，则即使电路先进，工艺讲究，也不能满足要求。因此，要在保证性能要求的前提下，尽量选择体积小，安装调试方便，价格合适，货源充足的器件。
5.4.3 电路结构
在本设计中我选用了经典的三运放组成的测量放大器电路结构。如图5-5示。电路中A1、A2为平衡对称结构。这种结构，可使两只放大器共模增益，失调及漂移产生的误差电压且有互相抵消的作用，其优点是不需要精密匹配电阻，而且能差动输入、其共模抑制比很高。
差动输入端V1和V2分别是两个运算放大器（A1、A2）的同相输入端，因此输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一个差动跟随器，其增益近似为1，测量放大器的放大倍数由下式确定：
V2?V1R?Rf2RAod?2(1?f1)
R1Rw一般都取 R1?R1'、R2?R2'、Rf1?Rf2、R1?R2
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Aod?V0