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电桥放大器的原理及应用
电桥放大器的原理及应用
摘要：
在非电量测量仪器中经常采用电阻传感器,通过对电阻传感器中电阻的相对变化的测量来检测一些非电量。
电阻传感器都是通过电桥的连接方式,将被测非电量转换成电压或电流信号，并用放大器做进一步放大。
这种由电阻传感器电桥和运放组成的运放电路被称为电桥放大器。
电桥放大器是非电量测试系统中常见的一种放大电路。
本文将主要介绍电桥放大器的原理、应用及应用中出现的问题和解决办法。
[1]关键词：
电桥放大器；非电量测量；非线性误差
ThePrincipleandApplicationoftheBridgeAmplifier
Abstract:
Resistivesensorsareoftenusedinnon-powermeasuringinstrumentsand
themeasurementoftheresistor'srelativechangeinresistivesensorcanbeusedtodetect
someofthenon-electricity.Resistivesensorsarebasedontheconnectionofthebridgeand
themeasurednon-electricityisconvertedintoavoltageorcurrentsignalandthenamplifier
furtheramplification.Theopampcircuitcomposedofresistivesensorbridgeandopamp
iscalledBridgeAmplifier.BridgeAmplifierisacommonkindofamplifiercircuitina
non-electricitytestsystem.ThisarticlewillfocusontheBridgeAmplifier's
principles,applications,applicationproblemsandsolutions.
Keywords:
Bridgeamplifier；Non-powermeasurement；Nonlinearityerror
引言
在现代电子技术的发展中，电子检测技术得到了广泛的应用，在非电量的检测中,
常常使用电阻传感器将一些非电物理量如压力、光、热、湿度、流量等转换为电阻量的变化,然后再转换为电压进行测量。
由于传感器的变化量常常是在一个参考状态的初始值基础上进行变化,为了获取纯变化量,一般利用电桥电路来抑制初始值。
在电桥电路的输出较小时,又需要用集成运算放大器与之配合,这样就形成了应用广泛[2]。
本文将对电桥放大器做一些研究，先阐述其基本原理，然的电阻电桥传感放大器后再讨论其应用及在应用中出现的问题和解决方法。
1电桥放大器
单端反相输入电桥放大器1.1
1
图1所示为单端反相输入电桥放大器电路。
图中，电桥对角线a、b两端的开路输出电压为UabZZ34?
）UU?
（
abZ?
?
ZZZ3142
图1单端反相输入电桥放大器进行放大。
通过运算放大器A和由于电桥电源是浮置的，所以在中RRUUU21ab两端的电压定是，即无电流流过。
因a点为虚地，故反馈到RUU?
10abZURZ3104U?
（?
）
ZZZ?
R?
RZ?
324121于是可得ZZ-ZZR43122U）（1?
U?
0）ZZR（?
ZZ?
）（42131
?
?
?
，为传感器电阻的相对变化率，若令，）?
（1?
?
Z?
ZZ?
R，ZRR?
?
R/3214则有?
RU2）U?
（1?
?
04R?
11
2
只单臂反相输入电桥放大器的增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定，由此可知，RR，就可以方便的实现电路增益的调节。
但该电路的电桥电源一定要或需要调节21?
U是浮置，这给电路设计带来麻烦，而且电路输出电压与桥臂电阻的相对变化率0[3]?
?
U1?
?
才近似按线性变化时，与非线性关系，只有当。
0差动输入电桥放大器1.2
所示电路是把传感器电桥两输出端分别与差动运算放大器的两输入端相连，2图构成差动输入电桥放大器。
2
差动输入电桥放大器图2当时有：
RR?
?
2?
）?
REE（1?
u?
u?
u
NI?
?
2R?
22R2
，可得：
若运算放大器为理想工作状态，即u?
uNI?
R2E2）u?
（1?
?
4R）?
（12?
设可变电阻的变化系数,,且则上式可以简化为：
RR?
?
1?
?
2?
ERu?
2R2
式中为桥路的参考电压值。
分析该式可知：
E?
很小时，电桥放大器的输出电压与变量呈现线性关系，即此时非线性误当⑴差才可以忽略。
u由获得了输出电压的简化式；⑵在,的简化过程中，基于假设条件，即RR?
?
2的，于输出电压的表达式中含有电桥电阻因此，温度的变化将直接影响电桥元件RR的温度稳定性要好；大小，直接影响运放增益的温度特性，因而在设计时要求和RR2RR?
?
如果则电桥负载的影响将不明显。
2⑶该电路的主要优点是电路组成简单，只需要一个具有高共模抑制比的仪用运放，而且灵敏度较高。
宽偏移电桥放大器1.3
?
?
之间才具有较好的线性关很小时，输出电压和上面两种电桥放大器，只有当?
）时，非线性就变得逐渐显著起来。
为了使输出电0.1~0.2系，当较大时（约大于3
?
?
接在成线性关系，可把传感器构成的可变桥臂压与传感器电阻相对变化率）?
R（1[4]。
所示运算放大器的反馈回路中，如图3
宽偏移电桥放大器图3
、两输入端输入电压，则放大器A若运算放大器为理想工作状态，此时uuu?
aba分别为和输出电压uuobuR?
uR-u）R（u1o12o?
]?
u[?
u
aR?
RR?
R1221uR3?
u
bRR?
13RRR-RR23322?
u?
[（1uu）（）-?
]
oR?
RRR?
RR311113
时，上式可写成当R?
R3Ru?
-u?
oRR?
1为传感器的名义电阻。
分析上式表明，输出信号电压与偏移量成正比。
一般式中，R具有高测量系数的半导体应变计、热敏电阻等均可采用这种电路。
需要注意的问题：
R的电阻值必须为增强桥路抗共模干扰能力，元件应当匹配。
两个输入电阻⑴1相等。
在改变灵敏度（或者调解增益）时，需要调解两个电阻值以保持输入电压为⑵零，所以该电路的校准很困难。
?
过大时，由于运算⑶该电路的量程较大，但灵敏度较低，而且还要注意，当[5]。
放大器输入失调电流的影响将会在输出端产生误差线性电桥放大器1.4
?
在很宽的范如图该电路允许4所示的电路是一种线性优良的电桥放大器电路。
和40.1%围内变化，保持输入电压的非线性误差小于。
图的桥式电路有三个电阻R4
?
构成桥路，并有三个运放构成，A可变电阻为电桥差动放大电路，电桥参考）?
R（1电压由运放A1提供，由A1和A2的组合提供。
其中A2为单位增益反相器。
E?
-E'
线性优良的电桥放大器4图分析该图，可得该桥路的输出电压为：
R2?
'Ef）（1?
u?
?
o2R?
1
2
为A2决定，且为加在桥路两端的电压，分别由式中A1和'EE'R2u?
E'E?
oR1
u代入上式，可以得到将输出电压，即'EoE?
E'
R2?
Rf）?
1-（12
?
?
2RR1
代入输式中：
为电路的参考电压值，分析上式可得，是非线性关系，将和'E'EEE出电压表达式，则有：
R2?
f）?
E（1
?
?
R2?
u
oR2?
Rf）（11-?
2
?
?
RR2分析该式可上式即为图4所示桥路的输出电压的表达式。
1?
u可取桥路元件满足以下与偏移量知，输出电压是非线性关系，为了使其线性化，o条件式，即5
RRf1?
1?
2
RR2
的表达式，化简可得桥路参考电压表达式和参考电压将该条件式代入输出电压u'Eo为'E?
）（1?
E'?
E
2
因此，该桥路的输出电压的表达式为uoR2Ef?
）?
（1?
u
oR2
分析上式可知：
?
有关，且是非线性函数，但当给定条件式尽管桥路两端参考电压与偏移量⑴?
是线性关系。
时，输出电压与偏移量uo?
与偏移量成正比，因此起到线性补偿作用。
⑵输出电压uEo可以是直流，也可以是交流，但其幅度应该相当稳定。
参考电压⑶E式敏电桥灵度选取电阻和关系值，再由的据中调在整电路，应根RRf所示电路是一个实用电路，一般可以选。
图4和确定电阻RR）R2/RR?
（1?
R/21f21值和的值可以确定，=2k2Ω。
根据Ω=30k取电阻值Ω，=10k，=5k1ΩRRRRRR213ff?
为基准电压，一般选用温度的变化范围。
若值很大，可重新选取其它电阻值。
ER来完成，或者用有源电路来设计高精度或LM3992DW7C系数特性良好的稳压管如[6]。
基准电压源作为基准电压电桥放大器的性能改善2
消除电桥非线性误差2.1
尤其在由于桥臂传感器电阻的变化与电桥不平衡输出电压之间呈现非线性特性，因而极大地影响了不平衡电电阻值变化较大时，不平衡输出电压的非线性愈加严重，[7]。
电桥直接输出的不平衡电压信号很小，必桥的测量准确度，限制了它的应用范围放大器失调电压及其漂移也是影响系统测量须通过放大器放大几百倍，甚至上千倍，必须研究不平衡输出电压的非线性为了提高系统测量的准确度，准确度的重要因素。
误差和放大器失调电压对系统准确度的影响，为提高测量系统准确度提供理论指导[8]。
现在我们以电桥非线性和放大器失调电压为主要误差对象，讨论了几种减小测量误差的有源电桥。
2.1.1电压反馈可变电压源激励电桥6
如图5所示，其中放大器A1为仪用放大器，失调电压为，放大倍数为A。
V1os放大器A2为高准确度的电压反馈放大器，失调电压为。
反馈放大倍数为。
VK2os
+EIIs
R
s
电压反馈消除电桥非线性误差电忽略放大器的输入电流，由得
K1o（o由以上各式可求得
RA1R2（ooRA将该式，即上式可知，满足电桥输出线性化响应的条件为,A2?
?
R?
?
RAK0/K?
2代入上式化简为：
R）?
（2V?
ARRAV?
?
2os）A-V（1?
-E?
10osR4R24R
从上式中可以看出，理论上，电桥的输出可得到线性化响应。
但是，由于反馈放大器的增益不能正好设定为，所以，这种电路非线性校正的效果取决于增益设A2/?
定的准确度，使用受到一定的限制。
放大器A1的失调电压及其漂移放大A倍直接输237
出，对测量产生较大的误差。
从上式也可以看出，放大器A2的失调电压及其漂移影响较小。
2.1.2电流反馈单臂电桥
单臂电桥工作时，信号响应输出误差为负，前面分析过电压反馈可变电压源供电可以得到线性化的输出响应，同样可以采用电流反馈电流源的方式线性化电桥的输出[9]。
根据电桥非线性误差的特性，线性化校正的指导思想是给电桥供电的电流源响应随着电桥输出增大而增大。
根据这一指导思想设计电路如图6所示。
RFRA2Vos2
RR+ΔR
V-I2I1V+
A1EoRR1sVo
电流反馈线性化校正电路6图其中A1为仪用放大器，其失调电压为。
放大倍数为A，A2为高准确度的直V1os流电压反馈放大器，其失调电压为，反馈电阻为。
通过解析分析,求解电桥线RVF2os性化输出的条件。
忽略放大器的输入电流，由电路图6得：
I?
（V-V）/R?
（E-V）/KR2os2s0osV?
-V-IR1os?
2V?
-V-I（R?
?
R）2os2-I?
I?
I21I/I?
（2R?
?
R）/2R21E?
（V-V-V）A1-os0?
由以上各式可求得：
8
R*?
R*R*A*（V-V）A[R*?
R*V?
R（4R?
?
R）V]1FFos22osos-E（由上式可知，满足电桥的输出线性化响应的条件即A将上式化简得
RRVoo（1（o
由上述推导可知，该电桥线性化输出是有条件的，即反馈电阻，准确地A定该电阻是非常烦琐的工作，调整不准确，影响非线性校正的效果。
放大A的调电压及其漂移对测量带来较大的误差
2.1.3放大器控制电流输出型电
前面两种校正电路都是电桥输出不平衡电压，现改变电桥不平衡输出方式，采[10，设计电路如所示放大器反馈，使电桥输出不平衡电
IIIE+I3V1放大器反馈控制线性化电路7图将接入传感器的电桥臂放入放大器的反馈回路中，电桥电源低压端由放大器A1的输出端进行伺服控制，当传感器的阻值发生变化时，伺服放大器的输出电压随之变R产生输出电压。
A2化，从而引起电桥的不平衡电流输出，通过放大器和反馈电阻F图中放大器A1为电桥提供一个虚地点和伺服控制电桥电压的作用，放大器A2起电流一电压变换的作用。
放大器A1、A2为高准确的直流电压反馈放大器，其失调电压9
分别为、。
由电路可得：
VV2osos1I?
（V-V）/R11osI?
（V-V）/R22osI?
I?
IF23I?
（V-V）/R1os23E?
IR?
V2F0Fos由以上各式可求得：
AV?
R（）?
A（V-V）?
?
EV
2osos102osR2
。
式中R2R/?
AF电无任何调节环节，由上述分析可知，这种放大器反馈方式可线性化电桥输出，的失调电压与路简单，易于实现，系统增益调整简单；从上式可以看出，放大器A2的失调电压是相减关系，当采用两个同一种型号的双极性放大器时，两个放大器A1有非常其变化大小比较接近，放大器的失调电压温漂变化方向一致，在相同温度下，失调电压好的补偿作用，保守估算也能使失调电压及其漂移的影响减小5倍。
因此，[11]及其漂移对测量准确度的影响很小，是较理想的测量线路。
电桥放大器电源干扰问题及解决途径2.2
B的变化在8在图所示的普通电桥放大器中,放大器所需放大的信号是由A、Rx两点产生B对电源波动和随电源线带进的干扰频率信号在,A、两点产生的差值信号两点产、BA的干扰差值信号是需抑制的。
当电桥处于平衡状态时,电源干扰信号在故电源干扰信的变化生的干扰差值信号为零。
但由于电桥处于非平衡工作状态,,Rx该干扰差值信号必然即，两点产生干扰差值信号、号必然在AB,0?
e?
?
eE?
ESBESA的变化而通过运算放大器进行放大。
共模增益与误差因子成正比，而误差因子随Rx普通电桥放大器对电源干扰信号的抑制能力是较差的变化，可见当变化较大时,Rx[12]应尽可能地减小干扰差值信号，,。
为了提高电桥放大器对电源干扰信号的抑制能力两点的干扰差值信号有A所示的改进型电桥放大器对减小、B即减小误差因子。
图9RR所示的两种9和图。
下面对图中的中用恒流源代替图较强的作用。
图98和823不同的电桥放大器进行分析比较。
10
ExRR1BAAR2图8普通电桥放大器2.2.1两种电桥放大器对干扰频率信号的抑制能力设随电源线带进的干扰频率信号为形成的干扰差值信号为差值信号为现的内阻
由上式可知两种电桥放大器的误差因子分别为
3R。
再设e'ESAB，则NRR?
H2
eESABR1在图eEe?
ESABe'ESABeESABeES'eESAB
'
改进型电桥放大，对于普通电桥放大器两。
对于改进型电桥放大器两点形成的干，且恒流源对干扰频率信和两点形成的干扰差值信号分别ESES--ENNESESNN-1-1E1）1）ESESEESES?
?
）N?
N?
1）（（eeESESRN?
?
1,两种电桥放大器的误差因子均与由以上两式可见,由于的变化有关。
x故改进型电桥放大器的误差因子远小于普通电桥的误差因子。
又因为运算放大器输出[13]，设运算放大器对A、B端的干扰输出信号与误差因子成正比关系两点的干扰差11
值信号的增益为,则两种电桥放大器相应输出的干扰频率信号分别为KE?
时，两种电桥放大器输出干扰频率信号，当K?
e'U?
e?
K，U'?
1?
EESABEoutEoutESABE的比值为?
eU）N?
?
1）（（NESABEout?
?
?
）?
e'2N（1U'ESABEout
?
的抑制能力是普通电时，若取,改进型电桥放大器对由上式可得，当200?
N1?
eE倍。
由此可见，改进型电桥放大器对电源频率干扰信号的抑制能力桥放大器的50.5相对于普通电桥放大器得到了很大的提升。
两种电桥放大器对电源波动的抑制能力2.2.2
随电源中电桥供电直流电源的波动为,恒流源的恒定电流和图设图89IE?
EE两点的差值信号的放大能力为BA的波动所产生的波动为，再设运算放大器对、E?
所示的普通电桥放大器输出端所输出的信号为，则对于图8KRR?
xEKEK?
V?
（E?
）outAB）R2（R?
xR?
Rx?
?
E）K?
EK?
?
V?
（?
E
BAout）RR?
2（x
则普通电桥放大器输出信号随电源波动所产生的相对误差为V?
E?
out?
EVout
对于图9所示的改进型电桥放大器输出端所输出的信号为IKR）EK?
（R?
（V'?
E?
xBAout）IK?
R）?
K?
（E?
?
E）?
（R?
?
V'xBoutA则改进型电桥放大器输出信号随电源波动所产生的相对误差为I?
?
V'out?
IVout
的相对变普通电桥放大器输出信号随电源波动所产生的相对误差取决于电源E而改进型电桥放大器输出信号随电源波动所产生的相对误差取决于恒流源恒定,化II的中恒流源的恒定电流的相对变化甚小于电桥电源9电流的相对变化,由于图E,故满足下列关系相对变化?
V'?
Voutout?
?
V'Voutout12
设电桥电源的相对变化为10%，恒流源恒定电流随电桥电源波动所产生的相对变化E为0.2%，则改进型电桥放大器对电源波动的抑制能力是普通电桥放大器的50倍。
由此可见，改进型电桥放大器对电源波动的抑制能力比普通电桥放大器要强得多。
3电桥放大器应用举例
3.1由INA102构成的电桥放大电路
在现代的数据采集系统中，大量使用了电阻电桥作为把非电量变换为电信号的变[14]。
图10所示电路为由INA102换电路集成芯片组成的电阻电桥放大电路。
利用该电路，可对由热敏电阻、光敏电阻、热电偶、应变片等敏感元件感应的力矩、力、位移、光、温度等非电量进行测量。
INA102由集成芯片组成的电桥放大电路图10
）?
u1000（u?
u为了抑制。
1000该电路的电压放大倍数为，所以其输出电压为12o的内部附INA102交流干扰，在电阻式电桥传感器与放大器之间应采用屏蔽线。
由于个精度极高的金属膜电阻，且其温度稳定性也很设有9高，所以具有很高的增益精度。
在使用时不需外接电阻，因而应用极为方便，即只要芯片的。
INA102、100、1000、连接INA102的不同引脚便可得到不同的增益：
110因而常用它具有放大微弱差动信号的能力，内部含有三个集成运放和多个阻容元件，INA102）时，如来作为数据检测系统的前置放大。
使用中，当电压放大倍数较小（K≤10时，因偏K=100）能很好地满足失调电压及漂移等指标要求。
当电压放大倍数较大（如置电流的不平衡而引起的失调电压误差较大，常采用输出失调调整电路来调整的失调电压。
INA10213
自动稳零电桥放大器3.2
如图11所示的电路是一种根据动态校零原理设计的具有自动稳零性能的电桥放大电路。
该电路能对外部环境干扰及内部电路产生的零点漂移具有较好的抑制作用，且电路结构简单，能对弱信号实现无干扰放大，大大提高了测量信号的信噪比，可满[15]。
足较高的检测要求
tR0RER0
0R
SS1自动稳零电桥放大电路11图图中3个电阻、敏感元件和电压源组成电桥，把非电物理量变换为电压RREt0R、和电阻构成可调增益差动式放大器，运放A2信号，输入到放大器A1中。
运放A14R作为输出取样电路，运放A3用作积分器。
5当校零时，模拟电子开关S1断开，S2闭合，此时若运放A1的反相端有一由环境变化或漂移所引起的信号输入，则运放A1就有一个相对应的输出电压信号。
经过RRUU送A3输出逐渐上升的电压送至积分器电阻A3、的反相输入端。
对取样，4350到A1的同相端。
该电压与A1反相输入信号互相作用，使A1的输出减小。
经过U1U?
0，则稳零过程结束。
因而，在无被测信号输入情况一段时间后，可使输出电压0下，排除了外界环境的干扰和电路内部的零点漂移。
当测量时，开关S1闭合，S2断开，积分器A3无输入电压信号，积分电容C保持先前调零结束时的电压值，即电容具有存储干扰和零漂等效电压的功能。
这时若C把传感器放入被测系统中，在原来的环境作用下，运放A3放大输出是抵消了环境干34扰和零漂移后的电压。
这样由运放A1、A2和A3组成的闭环系统，可实现自动稳零14
作用，能有效地检测被干扰的弱信号。
以测量温度为例，当被测对象处在具有干扰的环境中，在测量温度之前，先在现场环境下对传感器进行调零，然后将传感器置于被测对象中，开始正式测温。
实验时，先设为一固定值，当改变电桥电源时，电压发生变化，而的变化代表UR?
REE10t了环境干扰和零漂的影响。
根据上述自动稳零原理的分析，此时电容保持了调零阶C段中的电压信号。
然后开始改变,由于的变化代表被测温度的变化，这样在的RREtt变化情况下，仍可测量出温度的值。
实验结果表明，在±80mV内变化时，调零后U17分钟内，该电路的输出电压保持为0.18mV。
可见这种电路有着较好的稳零效果。
这种电桥放大电路具有结构简单、实用和稳零性能好等特点，为了提高电路的特性，可采用低漂移型集成运算放大器。
积分电容要求电容量大，漏电小。
通常模拟电子开关导通电阻为几百欧姆，而电阻的取值为几百千欧量级，即，故RRRR?
?
onon33模拟电子开关S1、S2的导通电阻均可忽略。
这种电路属于间歇高精度测量方式Ron电路，尤其在缓变干扰的环境场合中，有很强的抑制干扰作用。
当电路与单片计算机系统连接后，利用单片机中的定时器来控制模拟开关的闭合，使测量过程更为简便，功能更强。
电桥放大器在电子秤中的应用3.3
3.3.1传感器的选择
在电子秤中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最人偏载及动载等因素综合评价来确定。
一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。
但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。
本例中要求称重范围0-600g，重量误差不大于0.1kg。
为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。
传感器的量程应根据皮带秤的最大流量来选择。
在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在20%～80%之间．线性好，精度高。
重量误差应控制存±0.01Kg，又考虑到秤台15
自重、振动
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