浅谈温度模板的改进

摘 要： 针对温度检测模板存在的缺陷，通过分析主要线路及其参数，在电路改动不大的情况下提出了改进方案，大幅提高了温度检测模板的放大倍数和共模抑制比，降低了电路输出波动。

关键词： 温度模板； 电路； 分析； 改进

中图分类号： TK123 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）07-0136-02

一、原温度模板的简介

CSY2006系列传感器与检测技术实验台主要用于各大、中专院校“传感器技术”、“工业自动化仪表与控制”等课程的实验教学，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品。原来温度模板的主要部分线路如图1所示。

从图1电路可看出温度模板是由三级运算放大电路组成。其中由A1和A2组成第一级缓冲放大单元，由A3构成第二级差分放大单元，由A4构成第三级调零输出单元。

各个元件的基本参数如表1所示：

放大电路设计的几个关键要求是：足够的放大倍数，高的共模抑制比，低噪声的指标，合适的功耗与尺寸。由于本电路板采用的运算放大器为OP07，负载是测量用的仪表，除非人为的失误，输入信号不会出现高电压和大电流，因此电路具有合适的功耗与尺寸。但是在温度检测的实验中，我们发现试验装置的“温度检测模板”，还存在一些不如意的地方，主要体现在以下三个方面：

1. 放大倍数大约33倍，却不够高，而出厂设计的要求必须达到100；

2. 共模抑制比大约60dB，性能很一般；

3. 在普通的实验条件下，输出信号抖动较大；

二、温度模板电路分析

为了解决设计的缺陷，需要对原来电路作出一些分析。假定运算放大器是理想的，由于A4构成第三级调零输出单元，它的增益为1， 对于整个系统的增益没有构成影响，本文公对由A1和A2组成第一级缓冲放大单元和由A3构成第二级差分放大单元进行分析。

（一）差模分析

系统的第一级由A1、A2和相关的电阻网络组成，设差模输入信号为Vs，A1、A2的输出为Vo1、Vo2。对于差模信号，各部分的增益为： 对于A1，Gain＝ 1 + 2R3／Rg ，

其输出Vo1＝0.5Vs (1+2R3／Rg)………………………（1）

对于A2， Gain＝ 1 + 2R4／Rg ,

其输出Vo2＝-0.5Vs (1+2R5／Rg) ……………………（2）

其中，Rg= R0 + Rw2。

系统的第二级由A3和相关的电阻网络组成，其差模增益为：

其输出Vo1为：

Vo1=Vo2××（1+）+Vo1×

进一步分析可得：

Vo1=0.5VS××（1+）（1+）+0.5VS××（1+）

……………………………………………………………（3）

由于第三级的增益是－1，作用是反相、调零和输出，整个放大电路的增益主要取决于第一级和第二级运算放大，因此我们主要考虑的第一级和第二级。整个电路的差模增益Aod为：

Aod=・・・・……………（4）

（二）共模分析

对许多应用来说，要从直流偏移电压、噪声或嗡嗡声等背景中提取出微弱的信号，共模抑制比（CMR）特性非常重要。相对于普通的二级运算放大电路来说，“仪表放大器”电路一般都具有较好的CMR 特性，能阻止共模信号出现在放大器的输出端。

在用普通放大器组成仪表放大器的形式里面，由于电阻和运放的不匹配，性能上会有很大的损失，尤其是共模抑制比，因此需要对电路进行共模分析。

设共模输入信号Vcm，对于电路的第一级A1、A2来说，共模信号在Rg两端的影响是相同的，产生的电压为零，对于本级的共模输出Voc01＝Voc02＝Vcm，与电阻Rg、R3和R5无关。

对于电路的第二级A3来说，共模输出的Voc为：

Voc=Vcm（1+）-

Voc=Vcm，Voc=Vcm…………（5）

得到共模增益：Aoc=………………………（6）

由式（6）可以

CMRR==……………………………（7）

CMRR=……… （8）

在式（8）中，电阻Rg不为零，如果R6・R8=R7・R4，其分母就会变为 0，而这几个电阻的任何失配都会使共模电压的一部分出现在输出端。当然，任何电阻间温度漂移的失配都会降低CMR。

三、改造的目标和思路

（一）改造的目标

针对温度模板的放大电路现状和设计的基本要求，在尽量少的改动原来电路的前提下确定以下具体的改造的目标：

1. 提高放大倍数大约 达到110以上；

2. 提高共模抑制比；

3. 在普通的实验条件下，减小输出信号抖动；

（二）改造的实施方案

从式（3）、式（4）中，可以看出对Aod影响较大的元件依显著程度有：Rg、R4、R8、R3、R5、R6、R7；从式（6）、式（7）、式（8）中，可以看出，对CMR影响较大的元件有：R4、R6、R7、R8、Rg、R3、R5，最关键的要求R6・R8=R7・R4，即R8/R4=R7/R6。

基于上述原因，确定以下改造的方案：

1. 改变Rg，将一个电阻470W与电阻R0并联。

这只电阻器的最大允许误差以及它对温度的变化，就像IC内置的电阻器一样会影响电路的增益精度。常用的电阻器包括通孔插装的1% 1/4W金属薄膜电阻器和1% 1/8W晶片电阻器。这两种类型的电阻器具有典型的100ppm/℃温度系数。用两个电阻并联，在同样总阻值的情况下，可以减少每个电阻的平均发热量。

2. 将的原来电阻R5＝2K, 改为R5＝10K。

原仪表放大器的输入偏置失调和输入失调电流流过不平衡的源阻抗也会产生附加的失调误差。在用独立的运放组成的仪表放大器电路中，这些误差随温度增加，除非使用精密运放。在电路中R5和R3对称，阻值也应该一致，从而减少失调误差。

3. 将一个0.01uF电容与电阻R8并联，将一个0.01uF电容与电阻R7并联。

该措施能降低交流信号的差模和共模放大倍数，达到大幅度较少交流干扰的目的。

4. 调整电阻R7，尽量减小共模放大倍数，提高直流共模抑制比。 改造后的电路, 如图2 所示：

四、结果与结论

在原电路板上经过改造，电路最大的放大倍数可以达到130、共模抑制比CMR从原来的60dB提高到了83dB、电路输出信号的波动幅度明显减小。学生实验的精确度大大提高。

参考文献：

[1] ［美］Charles Kitchin,Lew Counts.仪表放大器应用工程师指南[M].第2版.

[2]Kitchin，Counts.仪表放大器的正确使用方法[M].

[3] Charles Kitchin，Lew Counts.仪表放大器的应用技巧(摘)[M].