第2章 信號放大電路

1、第二章 信號放大電路（講授4學時） 一、何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？一、何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？ 1、在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱 電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大測量放大 電路電路，亦稱儀用放大電路儀用放大電路。 2、對其基本要求基本要求： 輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配； 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； 低噪聲； 第二章 信號放大電路 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率； 高共模輸入范圍和高共模抑制比； 可調(diào)的閉環(huán)增益； 線性好、精度高； 成本低。 3、測量放大電路的類型類型 第二章 信號放大電路 4、幾個重要

2、術(shù)語術(shù)語 開環(huán)增益K 閉環(huán)增益Kf 差模增益Kd 共模增益Kc 輸入失調(diào)電壓u0s 輸入失調(diào)電流I0s 零點漂移 共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 第二章 信號放大電路 二、典型放大器的設(shè)計二、典型放大器的設(shè)計 （一）反相放大器 Kf= uo / ui = R2 / R1 R3= R1 / R2 uo R3 ui R1 R2 - + + N1 第二章 信號放大電路 （二）同相放大器 Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 / R2 Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uo R3 ui R1 R2 - + + N1 第二章 信號放大電路 （三

3、）交流放大器 1、交流反相放大電路 Kf= R2 / R1 R3= R2 C1：隔直電容 C3：旁路電容，防止振蕩 C3R3C1R1 uo R3 uiR1 R2 - + + N1 C1 C3 交流放大器 2、同相交流放大電路 C1：隔直電容 R3 ：C1的放電回路 R3 必須有 zi =R3 使同相放大器失去高輸入阻抗的特點 uo R3 ui R1 R2 - + + N1 C1 交流放大器 3、交流電壓跟隨電路 同相放大電路的特例 為減小失調(diào)電流，R3= R2 uo R3 ui R2 - + + N1 C1 交流放大器 4、自舉式高輸入阻抗放大電路 a)同相交流放大電路 uo R1 R2 C2

4、C1 R3 - + + ui 自舉電路 b)交流電壓跟隨電路 uo ui R1 R2 C2 C1 R3 - + + 自舉電路 c)自舉組合電路 輸入電阻為 Ri=(R1R2)/(R2-R1) 當R2=R1時，Ri i2 = i1 uoui i1 i2 R1i uo2 2R1 R3 R2 - + + N1 - + + R3 N2 c) 自舉電路 何謂自舉電路何謂自舉電路? 自舉電路自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等 電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入 阻抗的電路。 是不是所有情況下都要求放大電路具有高是不是所有情況下都要求放大電路具有高 的輸入阻抗？的輸入阻抗？ 高輸入阻抗電路常

5、應用于傳感器的輸出阻抗很高 的測量放大電路中。如電容式、壓電式傳感器電容式、壓電式傳感器的 測量放大電路。 第二章 信號放大電路 （四）差動放大器 什么是差動放大器？什么是差動放大器？ 差動放大器差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到運算放 大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取 出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的 共模成分。 差動放大器 基本電路 共模與差模輸入 R3 uo R4 ui2 R1 - + + N1 R2 ui1 R3 uo R4 ud/2 R1 - + + N1 R2 ud/2 uic 差動放大器 0 R3 R4 ui2 R1 uo R2 ui1 等效電路 ud= u

6、i1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2 由等效電路可得 uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，則uo=(R3/R1) ud 即只對差模信號進行放大只對差模信號進行放大 假設(shè)放大器只有共模信號作用時 uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic 當R1=R2，R3+R4時，uoc=0 即輸出信號中無共模信號成分輸出信號中無共模信號成分 第二章 信號放大電路 三、穩(wěn)零放大電路三、穩(wěn)零放大電路 三種常用電路： （一）由通用集成運算放大器組成的斬波穩(wěn) 零放大電路（自學） （二）自動調(diào)零放大電路 （三）低漂

7、移單片集成運算放大器 第二章 信號放大電路 （二）自動調(diào)零放大電路 - + +N3 Uo K1 C1 Sa2 R2 Sb2 Sa1 - + + N1 K2 - + +N2 # Ui Sb1 R1 # # # - + + N4 a) 電路原理圖 Uo C1 Ui R1 R2 K1 - + + N1 c) 調(diào)零放大輸出 K2 C1 UC1 Uo1 R1 R2 K1 - + + N1 - + + N2 b) 誤差保持 自動調(diào)零放大電路 由圖a，當N3輸出高電平，Sa1、Sa2導通，電路處于 失調(diào)調(diào)零狀態(tài)，見圖b?？赏瞥觯?Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1 電

8、容電容C1寄存了運算放大器寄存了運算放大器N1的失調(diào)電壓的失調(diào)電壓U0s1。 當N3輸出低電平，Sb1、Sb2導通，電路進入信號放大 狀態(tài)，見圖c?？赏瞥觯?Uo(R2/R1)Ui 實現(xiàn)了對失調(diào)電壓的校正，達到了自動調(diào)零的目的。實現(xiàn)了對失調(diào)電壓的校正，達到了自動調(diào)零的目的。 自動調(diào)零放大電路 電路特點：電路特點： 性能優(yōu)于由通用集成運放組成的斬波穩(wěn)零放大電路； 輸出電壓較穩(wěn)定； 波動?。?電路成本低（用一塊四運放LF347和一塊4位模擬開 關(guān)CD4066即可組成）； 適用于毫伏級的低電平放大。 作業(yè)：作業(yè)：p55, 2-3 第二章 信號放大電路 （三）低漂移單片集成運算放大器 1、輪換自動校零

9、集成運算放大器（CAZ運算放大器） 什么是什么是CAZ運算放大器？運算放大器？ CAZ運算放大器是輪換自動校零集成運算放大器的簡 稱，它通過模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部兩個性能一致 的運算放大器交替地工作在信號放大和自動校零兩 種不同的狀態(tài)。 問題：問題：該電路與自動調(diào)零放大電路的主要區(qū)別何在？ 什么場合下采用較為合適？ CAZ運算放大器 輸出 C1 G 輸入 C2 +輸入 輸出 R2 - + + N1 - + + N2 R2 C1 G R2 輸入 - + + N1 - + + N2 R2 +輸入 a) N2處于自動校零狀態(tài)b) N1處于自動校零狀態(tài) C2 第二章 信號放大電路 2、斬波穩(wěn)零集成運算

10、放大器（ICL7650) 內(nèi)部調(diào)制 補償電路 箝位電路 外時鐘輸入 G Sa Sb 時鐘輸出 Ui Sb1 Sb2 Sa2 C1 C2 Sa1 A1 A2 Uo Uo2 + - + N1 + - + N2 + - 斬波穩(wěn)零集成運算放大器 誤差檢測和寄存階段：誤差檢測和寄存階段：時鐘為高電平，Sa1、Sa2閉合， N2兩輸入端被短接，只有輸入失調(diào)電壓U0s2和共模信 號Uc作用并輸出，由電容C2寄存，同時反饋到N2的 側(cè)向輸入端A2，此時Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。 校零和放大階段：校零和放大階段：時鐘為低電平，Sb1、Sb2閉合，輸入 信號Ui同時作用到N1、N2的輸入端。

11、N2除輸入Ui、 U0s2和Uc外，在側(cè)向端A2還作用著Uc2，此時N2的輸 出為Uo2=K2Ui 。N2的失調(diào)電壓U0s2和共模電壓Uc全部 被消除，達到穩(wěn)零目的。 斬波穩(wěn)零集成運算放大器 此時， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 問題：問題： 該電路的增益是如何提高的？ 該電路的輸入失調(diào)電壓是如何減小的？ 該電路的共模抑制比是如何提高的？ 該電路有哪些優(yōu)點？ 第二章 信號放大電路 四、高共模抑制比放大電路四、高共模抑制比放大電路 什么是高共模抑制比放大電路？什么是高共模抑制比放大電路？ 用來抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的 放大電路稱為高共模抑制比放

12、大電路。 應用于何種場合？應用于何種場合？ 應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人 體心電測量。 高共模抑制比放大電路 （一）雙運放高共模抑制比放大電路 1、反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型 uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2 當R2/R1=R4/R5，ui1=ui2時， uo=0 通常取R1=R5，R2=R4 ui2 ui1R1 R2 R4 R6 R5 R3=R1R2 R7 =R4R5R6 uo - + + N1 - + + N2 高共模抑制比放大電路 2、同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型 uo1=(1+R2/R1) ui1 (uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4 uo=(1+R4

13、/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 為了獲得零共模增益，可取 R1/R2=R4/R3 uo ui2 ui1 R4 R3 uo1 R2 R1 + - + N2 + - + N1 高共模抑制比放大電路 （二）三運放高共模抑制比放大電路 IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp uo =(uo2uo1)R5 /R3 ui1 ui2 uo1 uo2 R1 RP R2 R7 RP1 R8 R3 R4 R6 uo R5 + - + N1 IR -

14、 + + N2 - + + N3 高共模抑制比放大電路 （三）有源屏蔽驅(qū)動電路 差 動 放大器 uo a b uic ui1 ui2 RS1 RS2 C1 C2 + - + N1 ui2 R1 RP R2 R0 R0 ui1 uc uo R4 R3 R3 R4 - + + N2 - + + N3 高共模抑制比放大電路 什么是有源屏蔽驅(qū)動電路？什么是有源屏蔽驅(qū)動電路？ 將差動式傳感器的兩個輸出經(jīng)兩個運算放大器構(gòu)成的同相比 例差動放大后，使其輸入端的共模電壓1 1地輸出，并 通過輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個電 纜屏蔽層上，即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓 驅(qū)動，而不是接地，電纜輸

15、入芯線和屏蔽層之間的共模 電壓為零，這種電路就是有源屏蔽驅(qū)動電路。 應用于何種場合應用于何種場合? 經(jīng)常使用于差動式傳感器，如電容傳感器、壓阻傳感器和電 感傳感器等組成的高精度測控系統(tǒng)中。 高共模抑制比放大電路 （四）浮動電源共模自舉式放大電路 作業(yè)：作業(yè)：p55，2-8，2-9 u2 R0 uo RP N3 R0 u1 uc A +E -E ui1 ui2 + - + N1 - + + N2 + - + N4 + - + N5 - + + uA 第二章 信號放大電路 五、電橋放大電路五、電橋放大電路 何謂電橋放大電路？何謂電橋放大電路？ 由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運

16、算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。 應用于何種場合？應用于何種場合？ 應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳 感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號， 并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大 器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 電橋放大電路 （一）單端輸入電橋放大電路 Z1Z2 Z4Z3 R2 R1 b a uo u - + + N a) 反相輸入 R+R R2 R1 uo R RR u - + + N b) 同相輸入 電橋放大電路 （二）差動輸入電橋放大電路 - + + N R2=R1 uo R1 u R (1+) ua ub R R R 電橋

17、放大電路 （三）線性電橋放大電路 作業(yè)：作業(yè)：p55，2-12，2-13 uo R3 R2 = R（1+） R1 u ua R1 ub - + + N 第二章 信號放大電路 六、隔離放大電路六、隔離放大電路 什么是隔離放大電路？什么是隔離放大電路？ 隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路 耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。 應用于何種場合？應用于何種場合？ 隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控 系統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設(shè)備、 工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高 阻抗、高共模抑制能力傳送信號。 隔離放大電路 （一）基本原理 1、組成及符號 輸入

18、放大器 R1 R1 R2 Riso Ciso R2 uo 隔離器 輸 出 放大器 ud uc uiso 隔離放大電路 2、原理框圖 a) 變壓器耦合 浮置電源 輸入調(diào)制 放 大 器 耦合變壓器 輸出解調(diào) 放 大 器 輸出 輸入 b) 光電耦合 浮置電源 光耦合器 輸 入 放大器 輸 出 放大器 輸出 輸入 LED V 隔離放大電路 （二）通用隔離放大電路 1、AD277變壓器耦合隔離放大器 隔離 電源 振蕩器 調(diào)制器 輸入屏蔽 解調(diào)器 輸出屏蔽 2 6 8 7 3 4 1 9 5 15V 15V 13 12 10 16 U 100k 100k 1M 14 11 15 U - + + N1 - + + N2 隔離放大電路 235L 電源 904 510 增益微調(diào)用1