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三运放仪表放大器设计开发与应用

📚 共计 30 章节

仪表放大器概述

什么是仪表放大器？为什么需要它？三运放架构的起源与优势。

核心原理：差分放大与共模抑制

差模信号与共模信号的定义，共模抑制比(CMRR)的物理意义。

三运放架构深度解析：第一级

对称差分输入级（A1、A2）的工作原理与增益计算。

三运放架构深度解析：第二级

差分转单端级（A3）的工作原理与减法器拓扑。

减法器拓扑

整体增益公式推导

G = (1 + 2R1/Rg) * (R4/R3)，并解释每个电阻的作用。

关键参数：输入阻抗

为什么三运放架构具有极高的输入阻抗？

关键参数：共模抑制比(CMRR)

影响CMRR的因素（电阻失配、运放有限增益）。

关键参数：噪声分析

输入电压噪声、电流噪声、电阻热噪声对总噪声的贡献。

噪声热噪声

关键参数：带宽与压摆率

增益与带宽的权衡（增益带宽积GBP），大信号响应。

关键参数：失调电压与漂移

输入失调电压(Vos)、失调电压温漂(dVos/dT)及其校准。

电阻网络设计：增益设置电阻Rg

内部反馈电阻R1、R2、R3、R4的匹配精度要求。

电阻网络设计：高精度电阻选型

金属膜、薄膜电阻，温度系数(TCR)的影响。

运放选型指南（上）

低噪声、低失调、高CMRR、轨到轨输出。

选型轨到轨

运放选型指南（下）

经典运放型号推荐（OP07、OP27、AD620、INA系列）对比。

单电源供电设计（上）

单电源与双电源差异，输入/输出摆幅限制，虚拟地生成。

电源虚拟地

单电源供电设计（下）

电平转换电路，双电源设计迁移到单电源系统。

电平转换迁移

PCB布局布线技巧（一）

模拟地与数字地分割，星形接地与地平面设计。

接地地平面

PCB布局布线技巧（二）

关键信号路径（差分对）等长、等距布线，避免寄生耦合。

差分对等长

PCB布局布线技巧（三）

电源去耦电容放置，旁路电容选择与布局。

保护电路设计（上）

输入过压保护（TVS管、限流电阻），ESD防护策略。

保护电路设计（下）

射频干扰(RFI)滤波器设计，共模扼流圈的应用。

应用案例：传感器信号调理

电桥、热电偶、RTD，微伏级信号放大至ADC范围。

应用案例：生物电信号采集

ECG、EEG，50Hz工频干扰的抑制。

生物电工频

应用案例：电机电流检测

高压侧电流检测电路设计。

电流检测高压侧

仿真与验证：SPICE基础

使用LTspice进行DC扫描、AC分析、瞬态分析。

仿真与验证：参数评估

设置仿真参数以评估CMRR、噪声、带宽。

测试与调试：实验室测量

万用表、示波器、频谱分析仪测量关键指标。

测试与调试：常见问题排查

振荡、噪声过大、共模抑制不足及解决方案。

高级话题：可编程增益仪表放大器

PGIA的设计思路。

高级话题：隔离式仪表放大器

数字隔离与模拟隔离方案对比。