模拟电路考试题：利用晶体管搭建重量放大电路

简 介： 本文讨论了普通的压力传感器特性。 如果设计基于分立元件的信号放大器，最大的问题可能来自于温度漂移对于信号放大所造成的问题。

关键词： 温度，晶体管

§01 信号放大

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  今天（2022-04-21）在信号与系统课程的课间，看到同学在翻看模拟电子教科书，他们谈论起本周一模电考试中最后一道电路设计试题，内容很有意思。

一、设计重量信号放大电路

  由于是课间，时间只有五分钟，学生只是简单告诉我模拟电路最后一道题目要求：要求使用JFET，NPN晶体管来设计称重传感器信号放大电路。压力传感器是一个电阻值变化与受力成正比的传感器。

  此外对于电路的其它要求，我就不得而知了，这的确是一个有趣的题目。不过，如果最后一个题目设置为 [RC低通滤波器的逆系统]设计与分析(https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/124342292) 则更好了。因为这就与同一学期内的信号与系统分析课程相互联系起来了。无论如何，自己也想就这个问题进行分析一下。

1、设计电路要求

（1）放大有源器件

  提供了两种晶体管：N沟道JFET， 以及NPN型的BJT。

  用于后面实验中晶体管的型号：

• JFET： 2N3819 ， $\left|Y_{fs}\right|=6.5ms$ ；
• BJT： BC547 ， $h_{FE}=250$ 左右；

（2）压力传感器

  用于小型电子秤的压力传感器，实际上是一个电阻桥。

▲ 图1.1.1 小型电子秤压力传感器

 Ⅱ.各引脚之间的电阻

测量电阻：

红-黑：1049
白-蓝：1000
红-蓝：799
红-白：799
黑-蓝：751
黑-白：751

▲ 图1.1.2 压变电阻桥内部结构

 Ⅲ.施加桥电压

  在红-黑之间施加+6V电压，在蓝、白测定到：2.858V电压。

▲ 图1.1.3 各管脚施加电压之后测量值

  如果认为上述电阻桥左右对称， $R_1=R_2;R_3=R_4$ 。那么根据上面测量结果可以知道： $$\frac{R_3}{R_1}=\frac{2.858-0.003}{5.989-2.858}=0.9118$$ 根据红-黑之间的电阻为 $1k\Omega$ ，所以 $R_1+R_3=2k\Omega$ 。根据 $R_1,R_3$ 的比值，所以 $$R_1=\frac{2\times 1}{1+0.9118}=1.0461k\Omega ,R_3=2-R_1=0.9539k\Omega$$ 那么红白之间的电阻为 $R_{R-W}=0.7615k\Omega$ 。

  注意： 这 与前面测量结果之间相差比较大。这说明上述简化的电阻桥与实际电阻之间还是有比较大的差异。很有可能是如下的模型：

▲ 图1.1.4 增加有引出电阻的电阻桥模型

 Ⅳ.测量压力影响

• 在施加电阻桥工作电压+6V情况下，压力传感器静态放置时，白-蓝（白+，蓝-）之间的电压为： -0.816mV

• 在压力传感器上增加200g砝码，输出电压为： -10.158mV

▲ 图1.1.5 测量白蓝之间输出电压

▲ 图1.1.6 增加200g砝码，测量输出电压

（3）电路输出特性

• 输出阻抗：小于100kΩ；
• 电压范围：1 ~ 5V；

（4）工作电源

  工作电源在5 ~ 12V之间；

二、分离元器件设计困难

  根据前面分析，由于压力传感器输出电压在mV数量级。这个电压与NPN-BJT的 b-e PN结的温度系数相当。也就是当外部温度变化，所以引起的电路B-E电压变化也会与压力传感器输出信号大体相当。因此，在设计信号放大器的过程需要限制三极管温度系数对于输出信号的影响。

※ 总  结 ※

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  本文讨论了普通的压力传感器特性。 如果设计基于分立元件的信号放大器，最大的问题可能来自于温度漂移对于信号放大所造成的问题。

  解决这个问题，可以使用自带斩波零漂移运算放大器。或者使用交流放大器来完成信号放大。

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■ 相关文献链接:

• 2N3819
• BC547

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 小型电子秤压力传感器
• 图1.1.2 压变电阻桥内部结构
• 图1.1.3 各管脚施加电压之后测量值
• 图1.1.4 增加有引出电阻的电阻桥模型
• 图1.1.5 测量白蓝之间输出电压
• 图1.1.6 增加200g砝码，测量输出电压