1、 工作原理分析

改進型儀表放大電路如圖1.97所示，元器件如表1.9所示。該改進型儀表放大器電路未使用差分電路而實現(xiàn)單端對地輸出，使得電路更加簡單。

圖1.97 改進型儀表放大電路

表1.9 改進型儀表放大電路仿真元器件列表

1、偏置點分析：Bias Point

利用偏置點分析，計算小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和每個元器件相對輸出信號的靈敏度，仿真設(shè)置如下圖所示。

圖1.98 共模輸入偏置點仿真分析設(shè)置

圖1.99 差模輸入偏置點仿真分析設(shè)置

共模輸入偏置點仿真分析結(jié)果：

小信號特性：

電壓增益：V(VOUT)/V_VC = 4.655E-06

通過仿真分析結(jié)果可得：當(dāng)電阻匹配時共模輸入信號VC電壓增益為

差模信號VD電壓增益為

共模抑制比為：

電阻R1和R3對輸出電壓最敏感，約為3.9%和-3.9%；電阻R2和R4靈敏度相對弱一些，約為1%和-1%。

2、瞬態(tài)仿真分析：Time Domain

圖1.100 瞬態(tài)仿真分析設(shè)置

對電路進行瞬態(tài)仿真分析，將共模信號VC幅值設(shè)置為0，仿真設(shè)置如圖1.100所示，仿真時間2ms、最大步長1us，仿真結(jié)果如圖1.101所示。

圖1.101 輸入和輸出電壓波形及最值

即輸入信號放大50倍。由圖1.101可得，當(dāng)輸入信號為0.2V峰值時輸出電壓峰值約為10V，電路實現(xiàn)50倍放大功能，計算與仿真一致。

對電路進行瞬態(tài)仿真分析，將差模信號VD幅值設(shè)置為0，共模信號VC設(shè)置為1V，仿真設(shè)置如圖1.100所示，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖1.102 輸出電壓波形及最值

圖1.102為瞬態(tài)仿真波形，V(VOUT)為輸出電壓波形。當(dāng)R1=R2、R3=R4放大電路匹配時，共模放大倍數(shù)近似為0。從圖1.102可得，當(dāng)輸入共模信號為1V峰值時，輸出電壓峰峰值為1.1mV，該電路能夠?qū)材Ｐ盘枌崿F(xiàn)抑制。

3、交流仿真分析：AC Sweep

圖1.103 交流仿真分析設(shè)置

對電路進行交流仿真分析，如圖1.103所示，頻率范圍10Hz—3megHz，每十倍頻20點，仿真結(jié)果如圖1.104所示。

圖1.104 輸出電壓波形

根據(jù)電路參數(shù)，放大倍數(shù)為50，當(dāng)輸入交流為1V時輸出電壓為50V，計算值與圖1.104中仿真結(jié)果一致。

4、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

圖1.105 直流仿真分析設(shè)置

圖1.106 蒙特卡洛仿真分析設(shè)置

當(dāng)差模輸入直流電壓為0.1V、共模輸入為0時，對電路進行蒙特卡洛仿真分析，仿真設(shè)置如圖1.105和圖1.106所示。電阻容差為平均分布5%，仿真結(jié)果如圖1.107所示，最大值約為5.372V，最小值約為4.694V，仿真次數(shù)為100。

圖1.107 輸出電壓蒙特卡洛仿真數(shù)據(jù)

5、直流和最壞情況仿真分析：DC Sweep、Worst case

圖1.108 最壞情況仿真設(shè)置

圖1.109 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最大值

直流和最壞情況仿真設(shè)置如圖1.108和圖1.109所示，輸出最大值仿真結(jié)果如下：

通過以上分析可得，當(dāng)電阻R3和R4取-5%容差、R1、R2和R5取5%容差時輸出電壓最大。

圖1.110 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最小值

直流和最壞情況仿真設(shè)置如圖1.108和圖1.110所示，輸出最小值仿真結(jié)果如下：

通過以上分析可得，當(dāng)電阻R1和R2取-5%容差、R3和R4取5%容差、R5保持不變時輸出電壓最小。

改進型儀表放大電路比通用儀表放大電路使用更少元器件，并且實現(xiàn)差分到單端放大，另外當(dāng)電阻容差均為5%時，輸出電壓范圍更加集中，當(dāng)放大倍數(shù)在百倍以內(nèi)時非常實用。

2、 附錄——關(guān)鍵仿真器件模型

模型lib