第二章-信號放大電路

1、中國計量學院中國計量學院第二章第二章 信號放大電路信號放大電路運算放大器的誤差及其補償運算放大器的誤差及其補償1噪聲的基礎知識噪聲的基礎知識2典型測量放大電路典型測量放大電路3隔離放大電路隔離放大電路4中國計量學院中國計量學院一、實際運算放大器及其特性一、實際運算放大器及其特性理想理想0 00 00 0 0 0第一節(jié)第一節(jié) 運算放大器的誤差及其補償運算放大器的誤差及其補償實際實際90 90 100 dB100 dB以上以上0 dB0 dB以上以上100K 100K 數(shù)百兆數(shù)百兆10 10 數(shù)百數(shù)百0 010Hz10Hz（或（或0 010kHz10kHz）不可能不可能差模增益差模增益k kd d

2、共模增益共模增益k ke e輸入電阻輸入電阻r ri i輸出電阻輸出電阻r ro o帶寬帶寬相移相移中國計量學院中國計量學院二、失調(diào)及其補償二、失調(diào)及其補償v 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓： 集成運算放大器輸出直流電壓為零時，所加的補償電壓。集成運算放大器輸出直流電壓為零時，所加的補償電壓。 常用代號常用代號 Uos (mV數(shù)量級）數(shù)量級） Uos隨時間和溫度而變化隨時間和溫度而變化零點變動零點變動稱為稱為零點漂移。零點漂移。v 輸出失調(diào)電壓：輸出失調(diào)電壓： Ui=0，輸出不為，輸出不為0時輸出端的電壓時輸出端的電壓中國計量學院中國計量學院RP接入反相端接入反相端RP接入同相端接入同相端補償補償a

3、. 外接失調(diào)補償網(wǎng)絡外接失調(diào)補償網(wǎng)絡b. 運放常有失調(diào)調(diào)零端運放常有失調(diào)調(diào)零端中國計量學院中國計量學院v Op07集成運算放大器集成運算放大器1、8腳之間就是輸入失調(diào)電壓的調(diào)零端腳之間就是輸入失調(diào)電壓的調(diào)零端中國計量學院中國計量學院中國計量學院中國計量學院v 輸入偏置電流輸入偏置電流：在標準電源電壓及室溫下，集成運放輸出：在標準電源電壓及室溫下，集成運放輸出電壓為電壓為0時，兩個輸入端靜電流的平均值。時，兩個輸入端靜電流的平均值。注意：這是使輸入級能正常工作所需要的電流（這樣后級才能正常工注意：這是使輸入級能正常工作所需要的電流（這樣后級才能正常工作）作）IBPIBNQ1Q2IO輸入偏置電流是

4、提供輸入偏置電流是提供OPA動作的原動力動作的原動力)(21BNBPBIII中國計量學院中國計量學院v 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流： 在標稱電源及其室溫下，當集成運放的輸出電壓為在標稱電源及其室溫下，當集成運放的輸出電壓為0時，流時，流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差。入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差。IBPIBPIBNIBNVEEVCCVOIOS=|IBPIBN|產(chǎn)生原因：實際上無法使產(chǎn)生原因：實際上無法使Q1與與Q2完全對稱，完全對稱，值不匹配，值不匹配， IBPIBN。中國計量學院中國計量學院v 可采用簡單的補償技術減少輸入失調(diào)電流在電路中的影響可采用簡單的補償技術減少輸入失調(diào)電流在電

5、路中的影響uoR3R1R2- -+ + +N1IB1IB2VXVY2121213/RRRRRRR如果如果R3=R1/R2，IB1IB2，則，則VO=R2(IB1IB2)=R2IOS，我們我們應該看到應該看到R2越大，輸出失調(diào)越大，因此反饋電阻越大，輸出失調(diào)越大，因此反饋電阻R2能取的能取的太大么？太大么？通常通常R2 =10100K中國計量學院中國計量學院三、運放的振蕩與相位補償三、運放的振蕩與相位補償UiUioUfUo電流、電壓反饋電流、電壓反饋：將負載電阻短接，看反饋信號是否消失，將負載電阻短接，看反饋信號是否消失，若消失，則為電壓反饋，反之電流反饋。若消失，則為電壓反饋，反之電流反饋。X

6、oXiXsXfAAAXXso1自激振蕩自激振蕩：指在沒有輸入信號時（指在沒有輸入信號時（Ui=0)，放大電路，放大電路也有輸出（也有輸出（Uo0），通常可以由示波器觀），通常可以由示波器觀測到輸出的振蕩波形。測到輸出的振蕩波形。一個具有負反饋電路的放大器，只一個具有負反饋電路的放大器，只要要A產(chǎn)生產(chǎn)生180的相位差，即可能的相位差，即可能激發(fā)振蕩。激發(fā)振蕩。環(huán)路增益的相位環(huán)路增益的相位中國計量學院中國計量學院由于一般的由于一般的OPA內(nèi)部是由內(nèi)部是由23段的放大器組成，因此段的放大器組成，因此出現(xiàn)三個極點的機會相當多，結(jié)果就會發(fā)生如圖的相出現(xiàn)三個極點的機會相當多，結(jié)果就會發(fā)生如圖的相移情況。移

7、情況。最基本的方法就是把最基本的方法就是把fo1移到更低的頻率處來移到更低的頻率處來工作。工作。中國計量學院中國計量學院相位補償：相位補償：在反饋放大電路的適當部分加入在反饋放大電路的適當部分加入RC網(wǎng)絡，以改變網(wǎng)絡，以改變AF的頻率響應。的頻率響應。uoR3uiR1R2- -+ + +N1C2防止自激振防止自激振蕩的蕩的C1很多集成運放都有外接相位補償網(wǎng)絡端很多集成運放都有外接相位補償網(wǎng)絡端中國計量學院中國計量學院在高頻區(qū)將產(chǎn)生附加相移，這就可能使負反饋變?yōu)樵诟哳l區(qū)將產(chǎn)生附加相移，這就可能使負反饋變?yōu)檎答?，此時，如反饋深度較深，即正反饋，此時，如反饋深度較深，即 1，就會產(chǎn)，就會產(chǎn)生自激振

8、蕩，從而使運放無法穩(wěn)定地工作。生自激振蕩，從而使運放無法穩(wěn)定地工作。 ViC|A|AO0.1fp10fpRCfp21RC電路波德圖電路波德圖fo1fo1fo2fo3中國計量學院中國計量學院第二節(jié)第二節(jié) 噪聲的基礎知識噪聲的基礎知識 通常，傳感器的輸出信號：幾毫伏，甚至更小。通常，傳感器的輸出信號：幾毫伏，甚至更小。 放大器輸入噪聲及其本身噪聲，往往大于放大器的輸入信號。放大器輸入噪聲及其本身噪聲，往往大于放大器的輸入信號。 怎么辦？怎么辦？ - 需要減小噪聲。需要減小噪聲。噪聲定義：干擾有用信號的某種不希望的擾動。噪聲定義：干擾有用信號的某種不希望的擾動。 內(nèi)部的稱為噪聲，外部的稱為干擾。內(nèi)部

9、的稱為噪聲，外部的稱為干擾。噪聲的波形是隨機的，即它的幅值、相位、頻率都是噪聲的波形是隨機的，即它的幅值、相位、頻率都是隨機的，其瞬時值不能預測，但每隨機的，其瞬時值不能預測，但每HzHz帶寬內(nèi)包含的噪帶寬內(nèi)包含的噪聲功率從統(tǒng)計觀點看是一個常數(shù)。聲功率從統(tǒng)計觀點看是一個常數(shù)。噪聲的頻率是固定的，是可以預測的，但幅值與相位噪聲的頻率是固定的，是可以預測的，但幅值與相位有可能是隨機的。例如接地噪聲。有可能是隨機的。例如接地噪聲。噪聲噪聲白噪聲：白噪聲：色噪聲：色噪聲：中國計量學院中國計量學院 電路中常見的固有噪聲：電路中常見的固有噪聲：熱噪聲熱噪聲散彈噪聲散彈噪聲低頻噪聲低頻噪聲一一. .噪聲的種

10、類和性質(zhì)噪聲的種類和性質(zhì)中國計量學院中國計量學院1.1.熱噪聲熱噪聲絕對零度以上的導體絕對零度以上的導體電子都有隨機運動，與溫度有關。電子都有隨機運動，與溫度有關。電子隨機運動產(chǎn)生很多電流脈沖，均值為電子隨機運動產(chǎn)生很多電流脈沖，均值為0 0。 定義：定義： - -導體中電荷載流子的熱激振動引起的。導體中電荷載流子的熱激振動引起的。 與頻率無關，屬于色噪聲還是白噪聲？與頻率無關，屬于色噪聲還是白噪聲？電流經(jīng)電阻后產(chǎn)生噪聲電壓，方均值電流經(jīng)電阻后產(chǎn)生噪聲電壓，方均值 不為零不為零)(2tUt中國計量學院中國計量學院 方均值電壓：方均值電壓：KTRBtUt4)(2KTRBtUt4)(K玻耳茲曼常數(shù)

11、玻耳茲曼常數(shù) K=1.3810-23J/KT絕對溫度絕對溫度B噪聲帶寬噪聲帶寬R導體的電阻或阻抗實部導體的電阻或阻抗實部例如：室溫下例如：室溫下290k290k下，下，R=1000R=1000，B=1HzB=1Hz，則可求得，則可求得U Ut t(t)= (t)= 4nV4nV等效模型：等效模型：U Ut t(t) (t) 噪聲電壓噪聲電壓R R 無噪聲電阻無噪聲電阻但是，但是，B=1KHzB=1KHz，R=10MR=10M時，則可求得時，則可求得U Ut t(t)= (t)= 12.7uV12.7uV中國計量學院中國計量學院2.2.低頻噪聲低頻噪聲低頻噪聲電壓的方均值與頻率大小成反比，又稱低

12、頻噪聲電壓的方均值與頻率大小成反比，又稱1/f 1/f 噪聲。噪聲。方均值：方均值：baffIktU12)(式中式中 k1 與材料有關的常數(shù)。與材料有關的常數(shù)。 I 工作電流。工作電流。 a,b 由實驗確定的常數(shù)，對各種半導體由實驗確定的常數(shù)，對各種半導體 b = 0.81.5， a 通常為通常為1。 f 工作頻率。工作頻率。一般，頻率低于一般，頻率低于1KHz1KHz時，低頻噪聲有很大作用，特別時，低頻噪聲有很大作用，特別對于對于MOSMOS場效應管更為明顯，所以調(diào)制頻率不應選得太場效應管更為明顯，所以調(diào)制頻率不應選得太低，至少高于低，至少高于1KHz1KHz。色噪聲色噪聲中國計量學院中國計

13、量學院3.3.散彈噪聲散彈噪聲 由于流過二極管、三極管位壘區(qū)的載流子不是連續(xù)的，由于流過二極管、三極管位壘區(qū)的載流子不是連續(xù)的，顯脈沖性質(zhì)，這種脈沖電流的平均值為顯脈沖性質(zhì)，這種脈沖電流的平均值為0 0，方均值不為，方均值不為0 0。BqIIDCsh2 q q 電子電荷，電子電荷，1.591.591010-19-19C C B B 頻寬頻寬I IDC DC 直流電流直流電流可見方均根值正比與可見方均根值正比與B, ,與與f f無關。無關。白噪聲白噪聲shIre中國計量學院中國計量學院 首先把放大器視為無噪聲方框首先把放大器視為無噪聲方框U Ut t(t) (t) 加到放大器輸入端的熱噪聲，通常

14、是信號源內(nèi)產(chǎn)生熱噪聲加到放大器輸入端的熱噪聲，通常是信號源內(nèi)產(chǎn)生熱噪聲RS 信號源內(nèi)阻信號源內(nèi)阻 放大器的噪聲用輸入端串聯(lián)的噪聲電壓發(fā)生器放大器的噪聲用輸入端串聯(lián)的噪聲電壓發(fā)生器Un(t) 和輸入端并聯(lián)的電和輸入端并聯(lián)的電流發(fā)生器流發(fā)生器In來代替。來代替。Un(t) 放大器各級電壓噪聲折算到輸入端的等效值。放大器各級電壓噪聲折算到輸入端的等效值。In 放大器各級電流噪聲折算到輸入端的等效值。放大器各級電流噪聲折算到輸入端的等效值。Uni(t)Un(t)ZiInRSUt(t)USUo放放 大大 器器二二. .處理放大器噪聲的方法處理放大器噪聲的方法1.1.等效輸入噪聲等效輸入噪聲中國計量學院中

15、國計量學院 把這三個噪聲等效到放大器的輸入端去，用把這三個噪聲等效到放大器的輸入端去，用 Uni(t) 來代替，來代替，22222222)()()()(issinitnniZRRZIZtUtUtU當當ZiRs時，時，2222)(4)(snnsniRItUBkTRtU等效噪聲電壓等效噪聲電壓 Uni(t) 與與放大器自身參數(shù)有關放大器自身參數(shù)有關信號源內(nèi)阻有關信號源內(nèi)阻有關當當Rs=0時，時，)()(22tUtUnni與電壓噪聲有關與電壓噪聲有關當當Rs足夠大時，足夠大時，222)(snniRItU與電流噪聲有關與電流噪聲有關這種關系可見圖這種關系可見圖2-412-41Uni(t)Ut(t)Un

16、lgRsInRs中國計量學院中國計量學院 衡量放大器中信噪比惡化程度的指標。衡量放大器中信噪比惡化程度的指標。 信噪比信噪比信號有效功率信號有效功率S S對噪聲有效功率對噪聲有效功率N N之比，之比，S/NS/N。噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)：oiNSNSF)/)/（輸出信噪比輸入信噪比理想運算放大器理想運算放大器 F F = ? = ? ，我們應該努力減小還是增加，我們應該努力減小還是增加 F F ？重要結(jié)論：重要結(jié)論：R Rs s = r= ro o ，此時為最佳源電阻。，此時為最佳源電阻。注意：注意：最佳源電阻完全取決于噪聲模型（最佳源電阻完全取決于噪聲模型（U Un nIIn n）與輸入阻抗無關

17、與輸入阻抗無關2.2.噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)3.3.最小噪聲系數(shù)和最佳源電阻最小噪聲系數(shù)和最佳源電阻中國計量學院中國計量學院補充：補充：數(shù)字濾波降噪技術數(shù)字濾波降噪技術（軟件濾波算法）（軟件濾波算法） 滑動平均濾波滑動平均濾波 方法：把連續(xù)取方法：把連續(xù)取N N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為定為N N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾, ,并扔掉原來隊首并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)的一次數(shù)據(jù).(.(先進先出原則先進先出原則) )，把隊列中的，把隊列中的N N個數(shù)據(jù)進行算個數(shù)據(jù)進行算術平均運算術平均運算, ,就可獲得新的濾波結(jié)果。就可獲得

18、新的濾波結(jié)果。 N N值的選?。毫髁?，值的選?。毫髁?，N=12N=12；壓力：；壓力：N=4N=4；液面，；液面，N=4-12N=4-12；溫；溫度，度，N=1-4 N=1-4 作用：抑制隨機噪聲，并保留信號陡峭邊沿非常有效，缺作用：抑制隨機噪聲，并保留信號陡峭邊沿非常有效，缺點是靈敏度下降。點是靈敏度下降。中國計量學院中國計量學院 累加平均濾波累加平均濾波（算術平均濾波）（算術平均濾波） 方法：連續(xù)取方法：連續(xù)取N N個采樣值進行算術平均運算。個采樣值進行算術平均運算。N N值較大時：值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；信號平滑度較高，但靈敏度較低；N N值較小時：信號平滑值較小時：信號

19、平滑度較低，但靈敏度較高。度較低，但靈敏度較高。 累加平均次數(shù)和信噪比之間的關系累加平均次數(shù)和信噪比之間的關系由以下公式表示：由以下公式表示： 其中其中M M是累加平均次數(shù)，是累加平均次數(shù)， SNRSNRa a是累加前的信噪比，是累加前的信噪比， SNRSNRb b是累加后的信噪比。是累加后的信噪比。 作用：抑制隨機噪聲，缺點是對于測量速度較慢或響應速作用：抑制隨機噪聲，缺點是對于測量速度較慢或響應速度要求較高的場合不適用。度要求較高的場合不適用。abSNRMSNRlg10中國計量學院中國計量學院第三節(jié)、第三節(jié)、 典型測量放大電路典型測量放大電路v 測量放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型決定的

20、。測量放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型決定的。例如：電阻應變式傳感器例如：電阻應變式傳感器電橋放大器電橋放大器 光電池、光敏電阻光電池、光敏電阻電流放大器電流放大器一、測量放大電路的基本要求和類型一、測量放大電路的基本要求和類型阻抗匹配阻抗匹配 增益穩(wěn)定增益穩(wěn)定 低噪聲低噪聲 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流、低溫漂低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流、低溫漂足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（放大瞬態(tài)信號、輸出電壓跟蹤輸入電足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（放大瞬態(tài)信號、輸出電壓跟蹤輸入電壓的能力）壓的能力）高共模輸入范圍（幾百伏）和高共模抑制比高共模輸入范圍（幾百伏）和高共模抑制比可調(diào)的閉環(huán)增益可調(diào)的閉環(huán)增益線性好、精度

21、高線性好、精度高 成本低成本低中國計量學院中國計量學院測量放大電路測量放大電路（按結(jié)構(gòu)原理）（按結(jié)構(gòu)原理）差動直接耦合式差動直接耦合式調(diào)制式：斬波穩(wěn)零調(diào)制式：斬波穩(wěn)零自動穩(wěn)零式：自動穩(wěn)零放大電路自動穩(wěn)零式：自動穩(wěn)零放大電路單端輸入單端輸入(同相同相/反相反相)放大電路放大電路電橋放大電路電橋放大電路電荷放大電路電荷放大電路中國計量學院中國計量學院二、反相放大電路二、反相放大電路uoR3uiR1R2- -+ + +N1閉環(huán)增益閉環(huán)增益Ri=R1，Ro=0可見輸入阻抗不高，可見輸入阻抗不高， (1001000) R1(5100)K，(1001000) R2(501000)K，在提高放大器的輸入阻抗

22、與提高電在提高放大器的輸入阻抗與提高電路的增益之間存在一定的矛盾，可路的增益之間存在一定的矛盾，可用變形一。用變形一。R3= R1 / R2帶濾波器的反相放大器見變形二。帶濾波器的反相放大器見變形二。Kf= uo / ui = R2 / R1中國計量學院中國計量學院uoR3uiR1R2-+N1C1C3交流反相放大電路：交流反相放大電路：增益和阻值增益和阻值 Kf= R2 / R1 R3= R2 電容作用電容作用 C1：隔直電容：隔直電容 C3：旁路電容，防止振蕩旁路電容，防止振蕩 C3R3C1R1中國計量學院中國計量學院三、同相放大電路三、同相放大電路uoR3uiR1R2- -+ + +N1K

23、f= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 Ro=0 同相輸入運算放大器的同相端和反相同相輸入運算放大器的同相端和反相端都等于輸入電壓，相當于輸入端有端都等于輸入電壓，相當于輸入端有一個共模信號，因此構(gòu)成同相放大器一個共模信號，因此構(gòu)成同相放大器時要求運放有較高的共模抑制比和較時要求運放有較高的共模抑制比和較大的共模信號輸入電壓范圍。大的共模信號輸入電壓范圍。特例：電壓跟隨器特例：電壓跟隨器0uiuFR2R平衡電阻平衡電阻中國計量學院中國計量學院uoR3uiR1R2- -+ + +N1C1同相交流放大電路同相交流放大電

24、路:C1：隔直電容隔直電容R3 ：C1的放電回路，的放電回路，注意：注意：R3 必須有必須有Zi =R3 使同相放大器失去高輸入阻抗的特點使同相放大器失去高輸入阻抗的特點交流電壓跟隨電路？交流電壓跟隨電路？uoR3uiR2- -+ + +N1C1中國計量學院中國計量學院 補充：電壓跟隨器的應用實例補充：電壓跟隨器的應用實例 PHPH傳感器電路中，前級輸出阻抗很高，電壓跟隨器具有高傳感器電路中，前級輸出阻抗很高，電壓跟隨器具有高輸入阻抗，可實現(xiàn)阻抗匹配，電壓跟隨器起緩沖、隔離、輸入阻抗，可實現(xiàn)阻抗匹配，電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高提高帶負載能力的作用。帶負載能力的作用。中國計量學院中國計量學院中

25、國計量學院中國計量學院四、差動放大電路四、差動放大電路什么是差動放大器？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。模成分。R2uoR4ui2R1- -+ + +N1R3ui1基本電路基本電路R2uoR4uid/2R1- -+ + +N1R3uid/2uic共模與差模輸入共模與差模輸入中國計量學院中國計量學院差模電壓差模電壓uid= ui2ui1 由線性疊加原

26、理分析可得由線性疊加原理分析可得若若R1=R3，R2=R4，則則uo=(R2/R1) ud即只對差模信號進行放大即只對差模信號進行放大112234412)1 (iiouRRuRRRRRu這時若只有共模信號時，這時若只有共模信號時，uoc=0，抑制共模信號，抑制共模信號共模電壓共模電壓uic=(ui1+ ui2)/2中國計量學院中國計量學院抑制能力的大小，常用共模抑制比抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR來表示：來表示：cdKKCMRR共模增益差模增益如何求差動放大電路的共模抑制比？如何求差動放大電路的共模抑制比？要使要使CMRR，可得，可得3412RRRR工程上為了減少器件品種和提高工藝性工

27、程上為了減少器件品種和提高工藝性R1=R3R2=R4中國計量學院中國計量學院五、高共模抑制比放大電路五、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大電路。稱為高共模抑制比放大電路。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應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測的場合，例如人體心電測量。一般的運放共模抑制比量。一般的運放共模抑制比80db左右左右 所以我們采用多運放組合而成的測量放大電路，共模抑制比所以我們采用

28、多運放組合而成的測量放大電路，共模抑制比100120dB1. 1. 雙運放高共模抑制比放大電路雙運放高共模抑制比放大電路反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型中國計量學院中國計量學院ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo- -+ + +N1- -+ + +N2AN1反相放大：反相放大：112iAuRRu00-0-0-5246RuRuRuiAo25614612iiouRRuRRRRu可見當可見當 5412RRRR，ui1=ui2 時，時，uo=0， 共模抑制共模抑制通常取通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比與電阻精度有關系。，共模抑制比與電阻精度有關系。中國計量學院中國

29、計量學院同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型uoui2ui1R4R3uo1R2R1+ +- -+ +N2+ +- -+ +N1N1同相放大同相放大1121)1 (iouRRuN2同相放大，輸出端有同相放大，輸出端有042321RuuRuuioio13412234)1 ()1 (iiouRRRRuRRu共模電壓：共模電壓：221iiicuuu差模電壓：差模電壓： uid=ui2-ui1上式改為：上式改為：idicouRRRRRRuRRRRu)21 (21)1 (3142343412如何得到零共模增益？如何得到零共模增益？3421RRRR同時，同相輸入，輸入阻抗很大同時，同相輸入，輸入阻抗很大中國計量學院

30、中國計量學院2.2.三運放高共模抑制比電路三運放高共模抑制比電路uoui1ui2uo1uo2R1RoR2R7RPR8R3R4R6R5+ +- -+ +N1IR- -+ + +N2- -+ + +N3大范圍增益調(diào)整電路大范圍增益調(diào)整電路差分放大差分放大N1N2兩個完全一樣的運放構(gòu)成平衡對稱差動放大兩個完全一樣的運放構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級輸入級N3 雙端輸入單端輸出差放雙端輸入單端輸出差放)(1 (122112iiOoouuRRRuuidOuRRR)1 (21差模增益：差模增益：OiioodRRRuuuuk2112121由此我們可以看到共模信由此我們可以看到共模信號是被抑制的，且不要求號是被抑

31、制的，且不要求外部電阻匹配，同時為了外部電阻匹配，同時為了消除消除N1、N2輸入偏置電流，輸入偏置電流，取取R1=R2，調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)電位器Ro，還可改變差模增益，這就還可改變差模增益，這就是我們所說的大范圍增益是我們所說的大范圍增益調(diào)整電路調(diào)整電路中國計量學院中國計量學院缺點：缺點：N1和和N2的的CMRR1、CMRR2不相等時，會把輸入不相等時，會把輸入 端的共模信號傳到端的共模信號傳到 輸出端。輸出端。同時，同時，N3輸出級輸出級353RRkd前提：前提：R3=R4，R5=R6電阻偏差很大，影響輸出，精度控制在電阻偏差很大，影響輸出，精度控制在0.1之內(nèi)之內(nèi)N3兩端之間接入兩端之間接入

32、R7和和R8和和RP共模補償電路，調(diào)節(jié)共模補償電路，調(diào)節(jié)RP，可，可補償電阻的不對稱。補償電阻的不對稱。中國計量學院中國計量學院補充：補充：單片集成測量放大器單片集成測量放大器以以AD620為例（典型三運放結(jié)構(gòu)）為例（典型三運放結(jié)構(gòu)）特點：特點： 1.低成本，高精度；低成本，高精度； 2.電源范圍寬（電源范圍寬（2.318V） 3.體積小，低功耗（體積小，低功耗（1.3mA） 4.只需一個外部電阻就可設置放大倍數(shù)只需一個外部電阻就可設置放大倍數(shù)1-1000； 單片集成測量放大器的優(yōu)點：單片集成測量放大器的優(yōu)點：無需為組裝挑選性能完全一致的幾個集成運放。無需為組裝挑選性能完全一致的幾個集成運放。

33、應用場合：常用于傳感器接口電路，心電圖檢測儀，應用場合：常用于傳感器接口電路，心電圖檢測儀， 精密電壓電流轉(zhuǎn)換電路等。精密電壓電流轉(zhuǎn)換電路等。中國計量學院中國計量學院為保證增益控制的高精度，輸入三極管用差分雙極輸入；為保證增益控制的高精度，輸入三極管用差分雙極輸入；用超用超工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過輸入級內(nèi)部工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過輸入級內(nèi)部Q1-A1-R1和和Q2-A2-R2反饋環(huán)路，保持輸入三極管的集電極電流反饋環(huán)路，保持輸入三極管的集電極電流恒定，所以輸入電壓相當于加到外部增益控制電阻恒定，所以輸入電壓相當于加到外部增益控制電阻RG上；上；兩個內(nèi)部增益電阻兩個內(nèi)部增益電阻R

34、1和和R2精確確定為精確確定為24.7K。電路增益：電路增益：中國計量學院中國計量學院3K,5V供電的壓力傳感器電橋：供電的壓力傳感器電橋：電橋功耗僅電橋功耗僅1.7mA，AD620和和AD705緩沖電壓驅(qū)動器對信緩沖電壓驅(qū)動器對信號調(diào)節(jié)，使總供電電流僅為號調(diào)節(jié)，使總供電電流僅為3.8mA，電路產(chǎn)生的噪聲和漂，電路產(chǎn)生的噪聲和漂移極低。移極低。應用舉例：壓力傳感器檢測電路應用舉例：壓力傳感器檢測電路中國計量學院中國計量學院AD705及其外圍電路作用：右腿驅(qū)動，有緣屏蔽驅(qū)動。及其外圍電路作用：右腿驅(qū)動，有緣屏蔽驅(qū)動。前置放大增益不能過大，前置放大增益不能過大，RG =8.25K，G=7。應用舉例

35、：心電檢測電路應用舉例：心電檢測電路中國計量學院中國計量學院1.1.自動調(diào)零放大電路自動調(diào)零放大電路N1主放主放N2誤差保持誤差保持N3時鐘發(fā)生器（方波發(fā)生器）時鐘發(fā)生器（方波發(fā)生器）N4N3的反相器的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模擬開關模擬開關N3驅(qū)動驅(qū)動Sa1、Sa2，高電平導通，高電平導通，Sa1、Sa2導通時，導通時，Sb1、Sb2斷開斷開六、低漂移放大電路（穩(wěn)零放大電路）六、低漂移放大電路（穩(wěn)零放大電路）為了為了減少失調(diào)減少失調(diào)減小低頻干擾減小低頻干擾常采用常采用斬波穩(wěn)零放大電路斬波穩(wěn)零放大電路自動調(diào)零放大電路自動調(diào)零放大電路.中國計量學院中國計量學院Sa1、Sa2導通時，導

36、通時，Sb1、Sb2斷開時，斷開時，失調(diào)調(diào)零狀態(tài)，把失調(diào)電壓記錄下來失調(diào)調(diào)零狀態(tài)，把失調(diào)電壓記錄下來前半周：前半周：N1輸入接入輸入接入，只存在輸入失調(diào)電壓，只存在輸入失調(diào)電壓Uos1N1輸出為輸出為Uo1N2放大放大C1保持保持N2也存在失調(diào)電壓也存在失調(diào)電壓Uos2Uc1Uos1C1寄存了寄存了N1的輸入失調(diào)電壓的輸入失調(diào)電壓b) 誤差保持誤差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1- -+ + +N1- -+ + +N2中國計量學院中國計量學院后半周：后半周：N3輸出低電平，輸出低電平，Sa1、Sa2斷開，斷開，Sb1、Sb2斷合，斷合，電路進入信號放大狀態(tài)。電路進入信號放大狀態(tài)。接通接通U

37、i， U Ui i反相放大反相放大+ +輸入失調(diào)放大輸入失調(diào)放大+C+C1 1的寄存的寄存電壓電壓Uo(R2/R1)Ui實現(xiàn)自動調(diào)零實現(xiàn)自動調(diào)零優(yōu)點：優(yōu)點：1、 輸出電壓穩(wěn)定，波動小。輸出電壓穩(wěn)定，波動小。 2、失調(diào)和低頻干擾小、失調(diào)和低頻干擾小 3、成本低、成本低適用于毫伏級的低電平放大。適用于毫伏級的低電平放大。UoC1UiR1R2K1- -+ + +N1c) 調(diào)零放大輸出調(diào)零放大輸出中國計量學院中國計量學院2.低漂移集成運算放大器低漂移集成運算放大器v 輪換自動校零集成運算放大器輪換自動校零集成運算放大器CAZ運算放大器運算放大器v 斬波穩(wěn)零集成運算放大器斬波穩(wěn)零集成運算放大器ICL76

38、50 高增益、失調(diào)電壓影響小，高共模抑制比和高高增益、失調(diào)電壓影響小，高共模抑制比和高輸入電阻（輸入電阻（1011），輸入失調(diào)電壓），輸入失調(diào)電壓(15）uV，普，普通運放通運放(26）mV。中國計量學院中國計量學院七、高輸入阻抗放大電路七、高輸入阻抗放大電路 電容式、壓電式傳感器的輸出阻抗很高。電容式、壓電式傳感器的輸出阻抗很高。108以上以上雖然開環(huán)運放具備高阻抗，但是閉環(huán)以后，例如反相放大雖然開環(huán)運放具備高阻抗，但是閉環(huán)以后，例如反相放大器的輸入阻抗器的輸入阻抗同相放大器。同相放大器?？稍谳斎攵思与妷焊S器，但引入了跟隨器的共模誤差?？稍谳斎攵思与妷焊S器，但引入了跟隨器的共模誤差。解決

39、方法解決方法高輸入阻抗集成運放高輸入阻抗集成運放通用運放組成的自舉電路通用運放組成的自舉電路中國計量學院中國計量學院1.高輸入阻抗集成運算放大器高輸入阻抗集成運算放大器輸入級類型輸入級類型 輸入阻抗輸入阻抗 芯片代表芯片代表MOSFET 1.5106M CA3140、CA3260 FET 106M LF356/A、LF412CMOSFET 106M ICL7613、ICL7641B/C中國計量學院中國計量學院2.自舉式高輸入阻抗放大電路自舉式高輸入阻抗放大電路R3uoR1R2C2C1- -+ + +uia)同相交流放大電路同相交流放大電路uouiR1R2C2C1R3- -+ + +b）交流電壓

40、跟隨電路）交流電壓跟隨電路uouii1i2R1iuo22R1R3R2- -+ + +N1- -+ + +R3N2c)自舉組合電路自舉組合電路總結(jié)：總結(jié)：自舉電路：是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電自舉電路：是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減少向輸入回路索取電流，從而提高輸入位，減少向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。阻抗的電路。 是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？中國計量學院中國計量學院八、電荷放大電路八、電荷放大電路壓電式傳感器壓電式傳感器電容式傳感器電容式傳感器將壓力、位移等將壓力、位移等電荷信號電荷信號電荷放

41、大電路電荷放大電路基本原理：基本原理：uoCQ 運算放大器運算放大器N的反相端與傳感器相連，的反相端與傳感器相連，N的的輸出經(jīng)電容輸出經(jīng)電容C反饋致其輸入端。若反饋致其輸入端。若N為理想工為理想工作狀態(tài)，則反相輸入端為虛作狀態(tài)，則反相輸入端為虛“地地”，直流輸，直流輸入阻抗很高，傳感器的輸出電荷只對反饋電入阻抗很高，傳感器的輸出電荷只對反饋電容容C充電，電容充電，電容C兩端的電壓為兩端的電壓為Q/C，則電荷，則電荷放大電路的輸出是：放大電路的輸出是：CQuo 所以，電荷放大電路的輸出電壓與輸入電荷量成正比，所以，電荷放大電路的輸出電壓與輸入電荷量成正比，與反饋電容成反比，而與電路其他參數(shù)無關。

42、與反饋電容成反比，而與電路其他參數(shù)無關。中國計量學院中國計量學院九、電流放大電路九、電流放大電路基本原理：基本原理： 運算放大器運算放大器N的正相端接地，的正相端接地，N的輸出端經(jīng)的輸出端經(jīng)電阻分壓反饋至反相端。若電阻分壓反饋至反相端。若N為理想工作狀態(tài)，為理想工作狀態(tài)，則反相輸入端為虛地，所以則反相輸入端為虛地，所以Ui=0。由于虛斷，。由于虛斷，N的兩個輸入端電流為的兩個輸入端電流為0，所以，輸入電流信號，所以，輸入電流信號全部流經(jīng)電阻全部流經(jīng)電阻R1，經(jīng)分析可得電流放大倍數(shù)：，經(jīng)分析可得電流放大倍數(shù)：211RRki 所以，電流放大電路的輸出電流與輸入電流成正比，所以，電流放大電路的輸出電

43、流與輸入電流成正比，放大倍數(shù)與電阻放大倍數(shù)與電阻R1 、R2有關，而與電路其他參數(shù)無關。有關，而與電路其他參數(shù)無關。光電傳感器等光電傳感器等將光強信號等將光強信號等電流信號電流信號電流放大電路電流放大電路中國計量學院中國計量學院十、電橋放大電路十、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由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。稱為電橋放大電路。電感式電感式電阻應變式電阻應變式電容式傳感器電容式傳感器通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓/電流信號電流信號中

44、國計量學院中國計量學院如果如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），），為傳感器電阻的相對變化率為傳感器電阻的相對變化率2/14)1 (12uRRuo非線性非線性在在1時，時，4)1 (12uRRuo此時，輸出電壓與電橋電阻此時，輸出電壓與電橋電阻R無關，靈敏度不受無關，靈敏度不受R影響影響.此外，該電橋電路中電源此外，該電橋電路中電源U需要浮置。需要浮置。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou- -+ + +Na) 反相輸入反相輸入uZZZZZZZZRRuo)()1 (4221413212單端輸入電橋放大電路單端輸入電橋放大電路中國計量學院中國計量學院注意：注意：1.非線性仍存在。非線性仍存在

45、。2.電橋四個橋臂的電阻同時變化時，電壓放大倍數(shù)不是常量。電橋四個橋臂的電阻同時變化時，電壓放大倍數(shù)不是常量。3.橋臂電阻橋臂電阻R和和R1的溫度系數(shù)不一致時，增益不穩(wěn)定，存在的溫度系數(shù)不一致時，增益不穩(wěn)定，存在溫漂。溫漂。4211)1 (1uRRuo差動輸入電橋放大電路差動輸入電橋放大電路參考課本圖參考課本圖2-312-31中國計量學院中國計量學院uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub- -+ + +NC) 線性電橋放大電路線性電橋放大電路uRRRRuo3123若若R2=R(1+)，R3=R時，時，RRRuuo1注意：注意：uo與與成正比，即該成正比，即該電路為線性，但是缺點是靈電路

46、為線性，但是缺點是靈敏度與橋臂電阻敏度與橋臂電阻R有關，量有關，量程較大，靈敏度較低。程較大，靈敏度較低。但但a，b之間有很大的共模電壓，所以所選運放共模電壓要之間有很大的共模電壓，所以所選運放共模電壓要小，失調(diào)也要小小，失調(diào)也要小線性電橋放大電路線性電橋放大電路中國計量學院中國計量學院十一、增益調(diào)整放大電路十一、增益調(diào)整放大電路整調(diào)放大倍數(shù)整調(diào)放大倍數(shù)手動手動自動自動程控程控1.手動增益調(diào)整電路手動增益調(diào)整電路+ui1ui2u1u2uo左圖為匹配電阻構(gòu)成的差動放大電路，左圖為匹配電阻構(gòu)成的差動放大電路，RP用來調(diào)節(jié)增益用來調(diào)節(jié)增益idPouRRRRu)1 (2212 可見，只要改變可見，只要

47、改變RP可改變放大倍數(shù)，但可改變放大倍數(shù)，但RP與增益之間是非線性的，與增益之間是非線性的，因此調(diào)整范圍小于因此調(diào)整范圍小于10%，所以也叫，所以也叫小范圍增益調(diào)整電路小范圍增益調(diào)整電路。大范圍增益調(diào)整電路，在三運放電路中已經(jīng)介紹過。大范圍增益調(diào)整電路，在三運放電路中已經(jīng)介紹過。注意這里是手動調(diào)節(jié)注意這里是手動調(diào)節(jié)RP的值，不是自動的。的值，不是自動的。中國計量學院中國計量學院2.自動增益調(diào)整電路自動增益調(diào)整電路電路增益自動在最大、最小之間變換。電路增益自動在最大、最小之間變換。改變反饋電阻改變反饋電阻改變輸入回路衰減電阻改變輸入回路衰減電阻圖圖2-35a）改變反饋電阻的方法，反相放大）改變反

48、饋電阻的方法，反相放大的一個例子的一個例子+uiR3控制信號控制信號a）改變反饋電阻）改變反饋電阻當當ui很小時，控制信號為零電平，很小時，控制信號為零電平，V飽和導飽和導通，電路增益最大。通，電路增益最大。當當ui很大時，控制信號為負電平，很大時，控制信號為負電平，V截止，截止，電路增益最小。電路增益最小。uoRxuiR1R2- -+ + +NR4U2ixouRRRRRRu14242/場效應管RRRx3中國計量學院中國計量學院同理，同理，R1和結(jié)構(gòu)場效應管并聯(lián)，我們把場和結(jié)構(gòu)場效應管并聯(lián)，我們把場效應管看成一個電阻效應管看成一個電阻Rx。導通時，。導通時，Rx=0；截止時，截止時，Rx=。當

49、當ui很小時，控制信號為低電平，很小時，控制信號為低電平，V1、V2導通，電路導通，電路增益最大。增益最大。當當ui很大時，控制信號為高電平，很大時，控制信號為高電平， V1、V2截止，截止，電路增益最小。電路增益最小。uiuoN+V1V26VR3R2R1控制控制信號信號b） 改變輸入回路衰減電阻改變輸入回路衰減電阻中國計量學院中國計量學院3.可編程增益放大電路可編程增益放大電路分類分類單運放單運放多運放多運放測量放大器可編程放大電路測量放大器可編程放大電路單片集成可編程增益放大電路單片集成可編程增益放大電路中國計量學院中國計量學院通用運放可編程增益放大電路通用運放可編程增益放大電路v 多路模

50、擬開關多路模擬開關+通用運放通用運放uia）單運放式）單運放式 4個二極管的作用：提高個二極管的作用：提高開關斷開時的抗干擾性能，開關斷開時的抗干擾性能，消除噪聲和其他高阻效應。消除噪聲和其他高阻效應。 斷開時，斷開時，uo使二極管正使二極管正向偏置，源級箝位到向偏置，源級箝位到0.6V，保證開關不接通。保證開關不接通。當然，因為開關分布電容形成尖峰，只適用低增益、低精度場合。當然，因為開關分布電容形成尖峰，只適用低增益、低精度場合。增益公式？增益公式？中國計量學院中國計量學院ui模擬開關模擬開關b）多運放并聯(lián)式）多運放并聯(lián)式運放多，成本高，調(diào)試難，每個運放都要調(diào)失調(diào)。運放多，成本高，調(diào)試難，

51、每個運放都要調(diào)失調(diào)。中國計量學院中國計量學院uiuo模擬開關模擬開關c）多運放串聯(lián)式）多運放串聯(lián)式但是也存在成本高，調(diào)試難的缺點。但是也存在成本高，調(diào)試難的缺點。集成測量放大器可選擇增益大小集成測量放大器可選擇增益大小外接模擬開關外接模擬開關+反饋電阻的方式反饋電阻的方式中國計量學院中國計量學院uiuoa）改變并聯(lián)輸入電阻）改變并聯(lián)輸入電阻uiuo模擬開關模擬開關b）改變并聯(lián)反饋電阻）改變并聯(lián)反饋電阻uiuo+c）任意正整數(shù)增益框圖）任意正整數(shù)增益框圖數(shù)字式可編程增益放大電路數(shù)字式可編程增益放大電路集成可編程增益放大電路集成可編程增益放大電路LH0084 LH0086增益公式可參考三運放高共模

52、抑制比放大電路增益公式可參考三運放高共模抑制比放大電路中國計量學院中國計量學院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，即合，即信號在傳輸過程中沒有公共接地端的特殊測量放大電路信號在傳輸過程中沒有公共接地端的特殊測量放大電路。應用于何種場合？應用于何種場合？高噪聲、高干擾情況下的測控系統(tǒng)高噪聲、高干擾情況下的測控系統(tǒng)對安全有要求的場合：核電站、高壓電對安全有要求的場合：核電站、高壓電生物醫(yī)學測量：確保人體不受傷害生物醫(yī)學測量：確保人體不受傷害第四節(jié)、第四節(jié)、 隔離放大電路隔離放大電路

53、中國計量學院中國計量學院方式：方式：光電耦合光電耦合無線電波耦合無線電波耦合超聲波耦合超聲波耦合電磁耦合（變壓器）電磁耦合（變壓器） 前景好，帶寬前景好，帶寬 成熟，帶窄成熟，帶窄一、基本原理一、基本原理組成組成輸入放大器輸入放大器輸出放大器輸出放大器隔離器（變壓器或光電耦合）隔離器（變壓器或光電耦合）隔離電源隔離電源電源是浮置的電源是浮置的中國計量學院中國計量學院注意：這里的輸入與輸出的地是不一樣的。注意：這里的輸入與輸出的地是不一樣的。基本組成基本組成符號符號問題：普通運放雖然也能抑制共模干擾，為何有些場合問題：普通運放雖然也能抑制共模干擾，為何有些場合必須用隔離放大器呢？必須用隔離放大器

54、呢？中國計量學院中國計量學院原理框圖原理框圖a) 變壓器耦合變壓器耦合浮置電源浮置電源輸入調(diào)制輸入調(diào)制放放 大大 器器耦合變壓器耦合變壓器輸出解調(diào)輸出解調(diào)放放 大大 器器輸出輸出輸入輸入被測信號被測信號調(diào)幅波調(diào)幅波耦合耦合放大輸出放大輸出解調(diào)解調(diào)輸入放大器的電源如何產(chǎn)生：幾十輸入放大器的電源如何產(chǎn)生：幾十KHZ的的高頻振蕩高頻振蕩，經(jīng)變壓器饋入，經(jīng)變壓器饋入輸入電路，再整流、濾波，提供隔離供電。輸入電路，再整流、濾波，提供隔離供電。同時這個高頻信號提供調(diào)制解調(diào)的載波信號。同時這個高頻信號提供調(diào)制解調(diào)的載波信號。變壓器非常關鍵（變壓器的匝數(shù)、體積和分布電容）變壓器非常關鍵（變壓器的匝數(shù)、體積和分布電容）中國計量學院中國計量學院b) 光電耦合光電耦合浮置電源浮置電源光耦合器光耦合器輸輸 入入放大器放大器輸輸 出出放大器放大器輸出輸出輸入輸入LEDV被測信號被測信號LED(光信號）光信號）耦合耦合放大輸出放大輸出光敏二極管光敏二極管轉(zhuǎn)成電信號轉(zhuǎn)成電信號中國計量學院中國計量學院二二.通用隔離放大器通用隔離放大器1、AD277變壓器耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器隔離隔離電源電源振蕩器振蕩器調(diào)制器調(diào)制器輸入屏蔽輸入屏蔽解調(diào)器解調(diào)器輸出屏蔽輸出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U - -+ + +N1