唐金元，王翠珍，于 潞

（海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041）

0 引 言

對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大是各種不同用途的電子測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵部分——前置放大器的任務(wù)。前置放大器的靈敏度主要受到以下因素的影響：微弱電信號(hào)輸出電路的輸出阻抗（通常是變化的，會(huì)影響到后面放大電路的電壓放大倍數(shù)）、放大器本身的背景噪聲、放大器的輸入失調(diào)和漂移、共模抑制能力等；因此，提高測(cè)量?jī)x器前端放大電路的輸入阻抗和共模抑制能力是至關(guān)重要的。前置放大電路通常選擇輸入阻抗和共模抑制比都很高的電路。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路和運(yùn)算放大電路的輸入阻抗均較大，但場(chǎng)效應(yīng)管電路不能對(duì)共模干擾進(jìn)行抑制，因此多選用運(yùn)算放大器電路[1-2]。

1 運(yùn)算放大器構(gòu)成的前端放大電路

噪聲分為串模噪聲和共模噪聲兩種[1]。串模噪聲指以串聯(lián)方式與被測(cè)電壓一起疊加在測(cè)量電路輸入端的干擾電壓，即干擾電壓與信號(hào)源及測(cè)量電路輸入端串聯(lián)構(gòu)成回路。共模干擾是同時(shí)加在兩根測(cè)量線上的干擾電壓，對(duì)兩個(gè)輸入端都有干擾作用。共模噪聲往往很強(qiáng)，且可以轉(zhuǎn)換為串模噪聲，轉(zhuǎn)換的條件是輸入電路阻抗不平衡。若電路完全平衡，則共模噪聲不能轉(zhuǎn)化成串模噪聲，就不能對(duì)測(cè)量結(jié)果形成干擾；但是，電路的完全平衡是很難做到的，總存在程度不同的不平衡，因而也總存在共模噪聲的影響。

目前普遍利用運(yùn)算放大器來(lái)放大微小電壓信號(hào)[1]。由于信號(hào)很微弱，再考慮到測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾情況，通常噪聲比較強(qiáng)，信號(hào)往往淹沒(méi)在很強(qiáng)的噪聲中，對(duì)信號(hào)的放大極為不利。這些噪聲多以共模噪聲的形態(tài)起作用，并且隨氣象環(huán)境等條件的變化而變化，會(huì)造成測(cè)量電壓誤差；因此，僅用低溫漂的運(yùn)算放大器不能解決這個(gè)問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐愤B接方式解決共模噪聲的干擾問(wèn)題。

首先信號(hào)地和電路地要有相同的地電位，運(yùn)放既可以采用反相放大，也可以采用同相放大形式，如圖1所示。這樣的布線形式不必?fù)?dān)心共模噪聲電壓造成測(cè)量誤差，可是在較長(zhǎng)的電纜傳輸時(shí)這樣做又會(huì)將差模噪聲放大，這時(shí)可采用三線式傳輸方式。圖2實(shí)線所示是兩線式傳輸方式的反相放大器，en1是電路地線阻抗產(chǎn)生的電壓降（差模噪聲），en2是信號(hào)線的阻抗產(chǎn)生的電壓降，輸出為

若采用圖2虛線所示的三線式傳輸方式時(shí)

en2帶來(lái)的誤差項(xiàng)減少了Ad倍，這樣的布線方式可用于其他的單端輸入電路；但是這樣的單端輸入型電路對(duì)于傳輸中耦合噪聲抑制能力很差，要注意信號(hào)電纜所經(jīng)過(guò)場(chǎng)所的噪聲環(huán)境，布線要遠(yuǎn)離各種強(qiáng)干擾源，不要與其他大信號(hào)的電纜一起扎結(jié)或相平行。

圖1 信號(hào)地與電路地為同一電位

圖2 兩線或三線式傳輸方式

微小電壓信號(hào)的放大最適用的電路形式是平衡式差分放大電路[1，3]。在差分放大電路中使用雙絞線或雙芯同軸電纜進(jìn)行信號(hào)接收，對(duì)干擾具有很好的抑制效果，如圖3所示。當(dāng)兩個(gè)地之間有噪聲影響時(shí)，其兩根電纜所接收的噪聲具有相同的振幅和相同的相位，是共模噪聲。差分放大器僅對(duì)差分成分放大，并且放大倍數(shù)Ad很大，而對(duì)共模噪聲的放大倍數(shù)Ac很小，其共模抑制比CMRR=Ad/Ac很大，可以得到非常理想的信噪比性能。

圖3 完全平衡的差分放大電路

上述電路的平衡是非常重要的。即便放大器有很好的共模抑制比，若兩個(gè)輸入端因種種原因而導(dǎo)致不平衡，則共模噪聲會(huì)變成差模噪聲并被放大器放大，從而也使得信噪比下降。電路不平衡的原因主要有3個(gè)：（1）電阻值的誤差，實(shí)際上電路的抗干擾效果在很大程度上依賴于這些電阻的精度。（2）由于前置衰減器造成的電路失衡。若衰減器的衰減比為1/M，運(yùn)算放大器的同相允許輸入為us，則可使衰減器的電壓輸入擴(kuò)大到為Mus，這種衰減器的電阻平衡失配同樣會(huì)造成電路的共模抑制比下降。電阻的平衡失配還不僅僅由于電阻的精度，還與電阻的分布電容、頻率特性等因素有關(guān)，所以從裝配布線到元件選擇等都要加以注意。（3）運(yùn)算放大電路的同相輸入端和反相輸入端的結(jié)構(gòu)是基本對(duì)稱，要完全對(duì)稱很困難，特別在高頻端更困難。

鑒于上述原因，在要求對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行精密測(cè)量時(shí)，需采用儀用對(duì)稱放大電路[4-5]。

2 儀用對(duì)稱前端放大電路

儀用對(duì)稱放大電路[3-4，6]的結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的。對(duì)稱電路是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線及其連接的所有電路對(duì)地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線都具有相同的阻抗（電路平衡）。電路對(duì)稱的目的在于使這兩根導(dǎo)線所檢測(cè)的噪聲相等，此時(shí)的噪聲是共模噪聲，可以在對(duì)稱的負(fù)載上自行抵消。若再結(jié)合屏蔽保護(hù)可以進(jìn)一步降低噪聲和干擾。

對(duì)稱放大電路如圖4所示，它由3塊集成運(yùn)放以及外部電阻構(gòu)成（又稱三運(yùn)放電路）。整個(gè)電路組成兩級(jí)放大器。第一級(jí)是A1、A2運(yùn)放和電阻R1、R2及RW組成的同相并聯(lián)差分放大器，第二級(jí)為運(yùn)放A3和電阻R3、R5、R4及R6組成的減法器。理想的減法器只放大uo1、uo2的差模部分，它將雙端輸入信號(hào)放大后變?yōu)閱味溯敵?，以適應(yīng)后級(jí)放大器的要求。為了保證有足夠大的共模抑制比，該電路的電阻需滿足對(duì)稱條件：R1=R2、R3=R4、R5=R6。對(duì)于放大器兩個(gè)輸入端的差值電壓（差模電壓），電路的輸出電壓為

差模電壓增益可以達(dá)到一個(gè)較大的數(shù)值，且調(diào)節(jié)外接電阻RW可以方便地改變差模電壓增益的大??；但是對(duì)于共模電壓，當(dāng)時(shí)，輸出電壓uo=0?？梢?，電路放大差模信號(hào)能夠抑制共模信號(hào)，差模放大倍數(shù)越大，共模抑制比越大。

圖4 儀用對(duì)稱放大電路

儀用對(duì)稱放大電路的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)外圍元件的公差要求嚴(yán)格，電阻、測(cè)量線的長(zhǎng)度等參數(shù)需要完全對(duì)稱也很難做到；因此，可采用帶共模電壓負(fù)反饋的儀用放大電路，以彌補(bǔ)上述儀用放大電路的不足。

3 強(qiáng)電磁環(huán)境中適用的改進(jìn)型儀用放大電路

在某些電磁環(huán)境惡劣的場(chǎng)合采集微小電壓信號(hào)時(shí)，強(qiáng)共模噪聲足可以完全淹沒(méi)信號(hào)，直接導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量電路的阻塞，嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。為進(jìn)一步提高電路的共模抑制比，可以在上述電路中加入共模電壓的負(fù)反饋電路，以抵消共模噪聲或其中的一部分[6-8]。電路如圖5所示。

電路中A4是跟隨器電路。C點(diǎn)電位為

僅考慮共模干擾電壓uic時(shí)，C點(diǎn)電位為

圖5 改進(jìn)型儀用放大電路

可見，從C點(diǎn)可以提取共模干擾電壓，將此電壓反相后（負(fù)反饋）在信號(hào)的輸入端與輸入信號(hào)中的共模信號(hào)相加，達(dá)到減少等效輸入的共模干擾電壓，提高了共模抑制比。

4 長(zhǎng)距離傳輸時(shí)改進(jìn)型儀用放大電路

儀用放大器本身具有良好的共模抑制比，但是用它構(gòu)成具體的測(cè)量電路后整個(gè)電路的共模抑制特性往往不盡人意，一個(gè)重要原因是輸入信號(hào)傳輸電纜不對(duì)稱，特別是在需要長(zhǎng)距離傳輸被測(cè)信號(hào)的時(shí)候。放大電路具有良好共模抑制比的前提是電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，而輸入信號(hào)傳輸電纜破壞了對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，在此情況下，可采用下述改進(jìn)電路。

在測(cè)量放大器的輸入端增加一個(gè)由運(yùn)放A4組成的跟隨器電路[6]，如圖6所示。被測(cè)信號(hào)采用雙芯屏蔽電纜傳輸時(shí)，將跟隨器的輸出端與信號(hào)傳輸電纜的屏蔽層相接，使電纜的屏蔽層電位跟隨放大器輸入端的共模電位變化，即電纜屏蔽層與放大器輸入端共模電位相同，于是共模信號(hào)在漏電阻和分布電容上的分壓作用消失，測(cè)量放大器輸入端就不存在由共模信號(hào)經(jīng)分壓產(chǎn)生的具有差模特征的電壓，從而提高了整個(gè)測(cè)量電路的共模抑制能力。

圖6 采用雙芯傳輸線的改進(jìn)型儀用放大電路

若采用單芯屏蔽電纜傳輸信號(hào)，則需要給兩條信號(hào)線分別加跟隨器，如圖7所示。由于兩根信號(hào)線屏蔽層的電位始終分別與信號(hào)線同電位，故它可以使漏電阻和分布電容對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)都不起分壓作用。這樣不僅可以提高整個(gè)電路對(duì)共模信號(hào)抑制能力，而且還可大大降低傳輸線對(duì)信號(hào)中高頻分量的傳輸衰減。

圖7 采用單芯傳輸線的改進(jìn)型儀用放大電路

采用上述兩種方法，整個(gè)測(cè)量電路的共模抑制比可以保持在儀用放大器本身的數(shù)值上，可以防止信號(hào)傳輸電纜不對(duì)稱產(chǎn)生新的共模干擾，尤其適合長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)算放大器具有良好的共模抑制性能，但是在微小電壓的實(shí)際測(cè)量中，由于電路的不平衡，使得共模噪聲耦合進(jìn)入放大電路帶來(lái)的測(cè)量誤差不可忽視；因此，解決電路的平衡性是至關(guān)重要的，儀用放大電路的輸入平衡較好，能有效地抑制共模噪聲。在強(qiáng)干擾電磁環(huán)境中和長(zhǎng)距離傳輸測(cè)量信號(hào)時(shí)，還需要加入共模噪聲的負(fù)反饋電路以抵消強(qiáng)共模噪聲。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的儀用放大電路能較好地減少噪聲影響，較大提高測(cè)量微小電壓信號(hào)的精確度。將圖5所示改進(jìn)型儀用放大電路用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)量電路中，其共模噪聲電壓的峰峰值由10mV下降為1mV，效果較好。

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