传感器信号放大器：测量放大器的原理及构成

传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现形式为不同的电信号。电信号可分为电压输出、电流输出和频率输出，其中以电压输出最为常见，因此，电压信号的处理十分重要。随着集成运算放大器性能的不断完善和价格的下降，传感器的信号放大越来越多地采用集成运算放大器来处理。运算放大器通过与电阻的组合就可以实现放大运算，适用于传感器输出模拟信号的放大和运算。本节主要介绍几种典型的传感器信号放大器。

（1）测量放大器

一般情况下，不包含变送器的传感器输出信号都十分微弱，而且夹杂着大量的干扰信号，此时要求信号放大器具有很高的共模抑制比（抑制共模干扰信号），同时具备高增益、低噪声和较高的输入阻抗（减小负载效应），具备这些特点的信号放大器称为测量放大器。

如图4-26所示为一个由三个运算放大器构成的测量放大器。采用这种连接方式有如下好处：

1）U₁和U₂为两个放大器的同相输入端，输入阻抗很高。

2）放大器A₁和A₂采用对称布置的结构，共模抑制比较高，此时A₁和A₂应经过挑选，使得两者的输入阻抗和电压增益尽量一致。

3）放大器A₃起电压跟随器的功能，稳定前一级电压，同时隔离后级电路对输出信号的影响。

图4-26 典型测量放大器原理图

该种接法的放大倍数为：

（2）程控放大器

程控放大器的核心元件为一个运算放大器，其电压增益可以通过一定的控制方法进行调整，以适用于变化范围较大的测量信号，实现不同幅度信号的放大。(www.xing528.com)

图4-27所示为通过改变反馈电阻来实现量程变化的放大电路。图中的开关S₁、S₂、S₃由外部控制，三个开关中，使其中一个闭合，其他两个断开，则放大倍数如下式：

工作时可根据所测信号的幅值范围，选择不同开关的开闭组合。

图4-27 程控增益放大器原理图

（3）隔离放大器

隔离放大器用于隔离强电磁环境下电网电压对测量回路的干扰，将输入、输出和电源彼此隔离，使之没有直接耦合存在的测量放大器，它具有以下优点：

1）保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。

2）泄露电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。

3）共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。

隔离放大器的耦合方式主要有变压器耦合和光电耦合两种。两者各有优缺点，变压器耦合方式具有较高的线性度和隔离性能，但带宽在1kHz以下。光电耦合方式带宽能达到10kHz，但其隔离性能不如变压器耦合方式。同时，两种方式都需要提供隔离电源为差动输入级供电，以便达到预定的隔离性能。