通用仪表放大电路的工作原理分析

1、工作原理分析

通用仪表放大电路如下图所示，元器件如表1.8所示。仪表放大电路也是差分放大器，主要用于精确放大具有较大共模信号的差模信号，具有以下特性：（a）极高的共模和差模输入阻抗；（b）极低的输出阻抗；（c）稳定、精确的电压增益；（d）极高的共模抑制比。

图1.82 通用仪表放大电路

表1.8 通用仪表放大电路仿真元器件列表

第一级电路中设定R5=R6。正常工作时电阻RG两端电压为V(IN1)-V(IN2)，流过电阻R5和R6的电流与RG相同，应用欧姆定律得到：

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1.83 共模输入偏置点仿真分析设置

图1.84 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：

2、瞬态仿真分析：Time Domain

图1.85 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1.85所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.86所示。

图1.86 输入和输出电压波形及最值

即输入信号放大210倍。从上图可得，当输入信号为10mV峰值时输出电压峰值约为2.1V，差分电路实现210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1.85所示，仿真结果如下图所示。

图1.87 输出电压波形及最值

图1.87为瞬态仿真波形，V(VOUT)为输出电压波形。当差分放大电路匹配时，共模放大倍数近似为0。从上图可见，当输入信号为1V峰值时输出电压峰峰值为550uV，所以该电路能够对共模信号实现抑制。

3、交流和参数仿真分析：AC Sweep、Parametric Sweep

图1.88 交流仿真分析设置

图1.89 参数仿真分析设置

对电路进行交流仿真分析，如图1.88所示，频率范围10Hz—3megHz，每十倍频20点；对rva进行参数仿真分析，如图1.89所示，参数值分别为1k和2k；仿真结果如图1.90所示。

图1.90 输出电压频率特性曲线：RFv从上到下分别为5k和10k

当电阻rva=1k时输出电压：

当电阻rva=2k时输出电压：

计算值与图1.90中仿真结果一致。

4、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

图1.91 直流仿真分析设置

图1.92 蒙特卡洛仿真分析设置

当差模输入直流电压为10mV、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1.91和图1.92所示。电阻容差为平均分布5%，仿真结果如图1.93所示，最大值约为2.311V，最小值约为1.866V，仿真次数为100。

图1.93 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

当电路中电阻R2、R4、R5和R6取5%容差、R1、R3和RG取-5%容差时输出电压最大，最大值为：

图1.94 最坏情况仿真设置

图1.95 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1.94和图1.95所示，输出最大值仿真结果如下：

通过以上分析可得，仿真和计算值一致。

当电路中电阻R2、R4、R5和R6取-5%容差、R1、R3和RG取5%容差时输出电压最小，最小值为：

图1.96 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1.94和图1.96所示，输出最小值仿真结果如下：

通过以上分析可得，仿真和计算值一致。

2、附录——关键仿真器件模型