1、工作原理分析

通用儀表放大電路如下圖所示，元器件如表1.8所示。儀表放大電路也是差分放大器，主要用于精確放大具有較大共模信號的差模信號，具有以下特性：（a）極高的共模和差模輸入阻抗；（b）極低的輸出阻抗；（c）穩(wěn)定、精確的電壓增益；（d）極高的共模抑制比。

圖1.82 通用儀表放大電路

表1.8 通用儀表放大電路仿真元器件列表

第一級電路中設(shè)定R5=R6。正常工作時電阻RG兩端電壓為V(IN1)-V(IN2)，流過電阻R5和R6的電流與RG相同，應(yīng)用歐姆定律得到：

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1.83 共模輸入偏置點仿真分析設(shè)置

圖1.84 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：

2、瞬態(tài)仿真分析：Time Domain

圖1.85 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1.85所示，仿真時間2ms、最大步長5us，仿真結(jié)果如圖1.86所示。

圖1.86 輸入和輸出電壓波形及最值

即輸入信號放大210倍。從上圖可得，當(dāng)輸入信號為10mV峰值時輸出電壓峰值約為2.1V，差分電路實現(xiàn)210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1.85所示，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖1.87 輸出電壓波形及最值

圖1.87為瞬態(tài)仿真波形，V(VOUT)為輸出電壓波形。當(dāng)差分放大電路匹配時，共模放大倍數(shù)近似為0。從上圖可見，當(dāng)輸入信號為1V峰值時輸出電壓峰峰值為550uV，所以該電路能夠?qū)材Ｐ盘枌崿F(xiàn)抑制。

3、交流和參數(shù)仿真分析：AC Sweep、Parametric Sweep

圖1.88 交流仿真分析設(shè)置

圖1.89 參數(shù)仿真分析設(shè)置

對電路進行交流仿真分析，如圖1.88所示，頻率范圍10Hz—3megHz，每十倍頻20點；對rva進行參數(shù)仿真分析，如圖1.89所示，參數(shù)值分別為1k和2k；仿真結(jié)果如圖1.90所示。

圖1.90 輸出電壓頻率特性曲線：RFv從上到下分別為5k和10k

當(dāng)電阻rva=1k時輸出電壓：

當(dāng)電阻rva=2k時輸出電壓：

計算值與圖1.90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1.91 直流仿真分析設(shè)置

圖1.92 蒙特卡洛仿真分析設(shè)置

當(dāng)差模輸入直流電壓為10mV、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1.91和圖1.92所示。電阻容差為平均分布5%，仿真結(jié)果如圖1.93所示，最大值約為2.311V，最小值約為1.866V，仿真次數(shù)為100。

圖1.93 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

當(dāng)電路中電阻R2、R4、R5和R6取5%容差、R1、R3和RG取-5%容差時輸出電壓最大，最大值為：

圖1.94 最壞情況仿真設(shè)置

圖1.95 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1.94和圖1.95所示，輸出最大值仿真結(jié)果如下：

通過以上分析可得，仿真和計算值一致。

當(dāng)電路中電阻R2、R4、R5和R6取-5%容差、R1、R3和RG取5%容差時輸出電壓最小，最小值為：

圖1.96 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1.94和圖1.96所示，輸出最小值仿真結(jié)果如下：

通過以上分析可得，仿真和計算值一致。

2、附錄——關(guān)鍵仿真器件模型