如何放大微弱信号

信号的采集，在我们做课程设计时，一定都会涉及，比如电子秤，温度计等仪表类项目。

通常，我们用传感器测得的差模信号都十分微弱，并且又带有较大的共模干扰分量，这个时候对仪表类的放大电路的要求就比较高了。

仪表放大器和运算放大器有什么区别？其实仪表放大器和运算放大器并没有本质上的区别。只是仪表放大器专门为差分增益和共模抑制的功能而设计和使用，其多数用于测量系统。仪表放大器放大差模信号即两个输入端的差值，同时抑制这两个输入端的共模噪声分量。仪表放大器电压增益可以由外部引脚配置。

选择什么样的放大电路呢？推荐三运放仪表放大电路。它具有抑制共模信号、放大差模信号的特点，且放大倍数越高抑制共模能力越强，因此十分适合对微弱信号进行预处理。

以ADI公司的OP113组成的三运放电路为例，我们来具体看看三运放是如何微弱小信号放大的：

OP113单电源运算放大器具有低噪声和低漂移特性，针对具有内部校准能力的系统而设计。通常，这些基于处理器的系统能够校正失调电压和增益，但无法校正温度漂移和噪声。OP113系列针对这些参数进行了优化，既可以利用出色的模拟性能，同时又具备数字校正功能。OP113常见在电池供电仪器仪表、温度传感器放大器、数字秤等应用领域。

下图就是我们经常使用到的三运放仪表放大器电路：

三运放仪表放大电路

万变不离其宗，利用上周学到的“虚短”和“虚断”（点这里回看>>）来分析输入和输出的关系。

从输入端开始分析，根据“虚短”特性：

根据“虚断”特性：

假设

因此，有：

这个时候我们已知流经R1、R2、R3的电流i，又知道B、C节点的电位，接下来我们将电路简化如下（图中加红字体就是我们上一步推导出来的条件）：

很显然，使用欧姆定律就可以求出节点A、D的电位u_A、u_D：

再来看节点A、D的电位是u_A、u_D，推导到这一步，就剩下单个运放的电路了，我们再利用“虚断”“虚断”特性继续简化这个电路：

根据欧姆定律，求出：

加上虚短又有：

最后，联立可得：

从上式可以看出，通过调整电阻R₂的值即可调整差模电压增益。集成仪表放大器中通常将电阻R₂外置，由用户配置放大器的电压增益。

当向这个电路的输入端输入共模信号时，即：u_i1=u_i2=u_ic，带入上式得u_O=0，可见该电路只放大差模信号不放大共模信号。因而具有极高的共模抑制比。

上面讲的三运放仪表放大电路其实有一个缺点，虽然通过运放电路，把微弱的信号放大了，但是并不能直接把该电路的输出直接送进后一级的AD转换芯片。因为输出信号u_o有对地的负电压，例如当输入信号为正值时，即（u_i1-u_i2）>0，将该输入信号输入输出关系表达式：

可见输出电压u_o为负值，而ADC模拟数字转换器是不能处理负电压的，那么直接将该信号送入ADC就会失去电压值为负值的信号，还有可能会烧毁ADC。那么有什么解决办法呢？我们只需把输出信号抬高就行了，这个问题和解决办法可表示为如下图：

上图所给的解决办法需要将输出电压进行抬升，可以看出信号的正负半周这时是相对于u_o=V_ref轴来说的。我们将u_o=v_ref轴称为参考轴。我们按照这种思路将前面的三运放仪表放大电路改进后的电路如下图所示。

其实改动的地方很小，只是将下半部分的电阻R_f的一端不接地而是接参考电压v_ref。这时，输出电压和和输入电压的比例系数就可表示为：

由此可知，只要设计合适抬升电压v_ref和放大倍数，这个时候输出电压就不会存在负压，从而可以连接ADC转换为数字量了。

学会了三运放仪表放大电路，在涉及到信号采集部分可以说基本没有什么大问题了。比如需要采集微弱差分信号的题目，采集部分你就可以采用ADI的仪表放大器做前置处理，或者你也可以用通用运放按照前述的仪表放大电路自己搭建一个仪表放大器。深入理解放大电路是十分有意义的，这样才能真正的运用好运放而不是依旧停留在只会书上那比例放大电路的阶段。

在一个实际项目中，遇到运放电路该怎么分析呢？下周同一时间请继续关注“ADI校园计划”。