一个单电源供电的仪表放大电路
该电路采用两级LTC1150运放构成差分放大与信号调理系统,实现对微弱交流信号的高增益放大和共模噪声抑制。前级差分放大(U1)和后级同相放大(U2)各提供约1000倍增益,总增益达10^6倍。电路可处理10Hz(1V幅值)和100Hz(1mV幅值)的复合信号,特别适合传感器微弱信号放大。差分输入结构有效抑制共模干扰,两级放大的宽频特性保证信号不失真。通过仿真可验证其放大特性和频率响应,适用于需要高

这是由 两级运放(LTC1150) 构成的 差分放大 + 信号调理 电路,核心实现 微弱交流信号叠加、多级放大及共模噪声抑制,以下分层解析:
一、核心元件与信号源
1.运放 LTC1150(U1、U2 ):
◦高精度运放,高输入阻抗、低失调,适配微弱信号放大;
◦U1 构建前级差分放大,U2 构建后级同相 / 差分放大。
1.信号源:
◦V2:SINE(7.5 1 10) ,10Hz 正弦波,直流偏置 7.5V ,幅值 1V(低频大信号 );
◦V3:SINE(-7.5m 1m 100) ,100Hz 正弦波,直流偏置 -7.5mV ,幅值 1mV(高频小信号 );
◦V1:15V 直流电源,为运放提供供电轨(隐含,需结合运放供电逻辑 )。
二、“差分放大 + 级联调理” 基础逻辑
电路通过 差分输入(IN+ / IN- ) 抑制共模噪声,两级运放级联实现信号放大,具体流程:
- 信号叠加(IN+ 节点)
•V2(10Hz )与 V3(100Hz )在 IN+ 节点叠加,形成 “低频大信号 + 高频小信号” 的复合输入:
V(IN+) = V2 + V3 = 7.5V + 1V·sin(2π×10t) - 7.5mV + 1mV·sin(2π×100t) - 前级差分放大(U1 )
•U1 为同相比例放大(或差分放大,因 IN- 接反馈 ):
◦同相端(IN- )通过 R2(1Meg )、R1(1K )构建反馈网络,利用运放 “虚短虚断”,放大 V(IN+) - V(IN-) 的差分信号;
◦增益计算:A_U1 ≈ 1 + R2/R1 = 1 + 1Meg/1K = 1001(近似同相放大增益公式 )。
三、后级放大与输出(U2 )
•U2 为同相放大(输入接 U1 输出,反馈网络 R4=1Meg、R3=1K ):
◦增益 A_U2 ≈ 1 + R4/R3 = 1 + 1Meg/1K = 1001;
◦两级总增益 A_total ≈ A_U1 × A_U2 ≈ 1001×1001 ≈ 10^6(近似,实际需考虑负载与运放带宽 )。
•最终 OUT 输出:
对 IN+ 复合信号先经 U1 放大~1000 倍,再经 U2 放大~1000 倍,高频小信号(100Hz )与低频大信号(10Hz )均被放大,实现 “微弱高频信号叠加放大 + 共模噪声抑制”。
四、关键特性与应用场景
1.差分输入优势:
IN+/IN- 为差分对,共模噪声(如电源纹波、环境干扰)会被运放 “共模抑制比(CMRR)” 抵消,仅放大差分信号(V2+V3 与 IN- 的差值 )。
2.多级放大适配微弱信号:
V3 是 1mV 级小信号,通过两级~1000 倍放大,可从 OUT 输出~1V 级信号(便于观测 / 处理 ),适合 传感器微弱信号调理(如应变片、热电偶信号放大 )。
3.频率特性:
10Hz(V2 )与 100Hz(V3 )为低频 / 高频复合信号,LTC1150 宽频特性可保障两级放大后频率响应不失真。
五、完整工作流程
1.信号注入:
V2、V3 在 IN+ 叠加,形成含直流偏置、低频大信号、高频小信号的复合输入;
2.前级放大(U1 ):
U1 对 IN+/IN- 差分信号放大~1000 倍,高频 / 低频成分均被保留;
3.后级放大(U2 ):
U2 对 U1 输出再放大~1000 倍,最终 OUT 输出放大后的复合信号,供后级电路采集或显示。
若需验证增益、频率响应,可通过 仿真工具(如 LTspice ) 注入信号,观测 IN+/OUT 波形,对比幅值、相位差;或结合运放 “虚短虚断” 列写节点方程,推导精确增益公式(需考虑负载与反馈网络的精确匹配 )。核心逻辑围绕 “差分抗噪 + 多级放大”,实现微弱复合信号的调理与增强。
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