測控電路張國雄第2章

1、測控電路2021-11-26 測控電路張國雄天津大學精密儀器與光電子工程學院精密測試技術及儀器國家重點實驗室電子郵件：測控電路2021-11-26 2. 信號放大電路張國雄張國雄天津大學精密儀器與光電子工程學院天津大學精密儀器與光電子工程學院精密測試技術及儀器國家重點實驗室精密測試技術及儀器國家重點實驗室電子郵件：電子郵件：2. 信號放大電路信號放大電路何謂測量放大電路？何謂測量放大電路？ 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電路測量放大電路。 測量放大電路是測控電路的基本組成部分，本章討論以精為主線，將靈放在重要位置，同時考慮快與可靠?；疽?/p>

2、基本要求： 低噪聲； 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； 高共模輸入范圍和高共模抑制比； 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； 線性好； 輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配； 足夠的帶寬和轉換速率。以上要求都是圍繞“精”提出來的，同時考慮快。2. 信號放大電路信號放大電路R2ui+-+ NR1R3從靈和安全可靠出發(fā)，還需要： 可調(diào)閉環(huán)增益放大電路； 參量放大電路； 電荷放大電路； 隔離放大電路。也有利于提高精度。還需要考慮低成本。2. 信號放大電路信號放大電路 測控電路62021-11-262. 信號放大電路信號放大電路 測量放大電路的主要誤差源 高共模抑制比放大電路 高輸入阻抗放大電路 低漂

3、移放大電路 電橋放大電路 測控電路72021-11-262. 信號放大電路信號放大電路 隔離放大電路 電荷放大電路 增益可控放大電路 測控電路82021-11-26 2. 信號放大電路信號放大電路2.1 2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源 2.1 2.1 運算放大器件的主要誤差源運算放大器件的主要誤差源 序號序號 參數(shù)名稱參數(shù)名稱 理想值理想值 實際值實際值 1 差模增益差模增益 90100dB以上以上 2 共模增益共模增益 0 0dB以上以上 3 輸入阻抗輸入阻抗 100k數(shù)兆歐數(shù)兆歐 4 輸出阻抗輸出阻抗 0 10數(shù)百歐數(shù)百歐 5 帶帶 寬寬 0 010Hz（或（或0

4、10kHz） 6 動態(tài)范圍動態(tài)范圍 0供電電壓供電電壓 有限部分有限部分 7 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 0 納伏至毫伏納伏至毫伏 8 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 0 皮安至微安皮安至微安 9 噪噪 聲聲 0 納伏至微伏納伏至微伏+-+ N2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源 2. 信號放大電路信號放大電路n采用負反饋構成閉環(huán)放大器可以擴大帶寬和線性范圍。n最主要的誤差因素是噪聲與失調(diào)漂移。 固定的失調(diào)可以通過調(diào)整來解決。 測控電路102021-11-26 2. 信號放大電路信號放大電路2.1 2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源式中式中 k k 玻耳茲曼常

5、數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，k k =1.38=1.381010-23-23J/KJ/K； T T 導體的絕對溫度（導體的絕對溫度（K K）；）； B B 測量系統(tǒng)的噪聲帶寬測量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)(Hz)； R R 導體阻抗的實部導體阻抗的實部()()。 kTRBtU4)(t噪聲噪聲就是干擾有用信號的某種不希望的擾動。通常，噪聲就是干擾有用信號的某種不希望的擾動。通常，把外部來的稱為干擾，把內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。把外部來的稱為干擾，把內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。熱噪聲熱噪聲由導體中的電荷載流子的熱激振動引起的噪聲由導體中的電荷載流子的熱激振動引起的噪聲 2. 信號放大電路信號放大電路 2.1 2.1 測量放大

6、電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源低頻噪聲低頻噪聲與晶體管表面的狀態(tài)以及與晶體管表面的狀態(tài)以及PN結的漏電流有關的噪聲結的漏電流有關的噪聲式中式中 k1 與材料有關的常量，其量綱與與材料有關的常量，其量綱與a、b有關；有關； I I 工作電流工作電流( (A) )； 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 1； f 工作頻率工作頻率( (Hz) )。 baffIktU12)(散彈噪聲散彈噪聲 流過二極管、三極管位壘層的載流子不是連續(xù)流過二極管、三極管位壘層的載流子不是連續(xù)的，而是脈沖性質(zhì)的，的，而是脈沖性質(zhì)的，電流的方均

7、值或方均根電流的方均值或方均根值不為零值不為零 式中式中 q 電子電荷，為電子電荷，為1.5910-19C； IDC 直流電流直流電流(A)； B 測量系統(tǒng)的噪聲帶寬測量系統(tǒng)的噪聲帶寬 (Hz)。BqIIDCsh2 2. 信號放大電路信號放大電路 2.1 2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源n減小噪聲影響的主要措施（1）采用噪聲小的器件；（2）采用信號調(diào)制解調(diào)與濾波，限制通頻帶；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比電路。 2. 信號放大電路信號放大電路 2.1 2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源減小漂移影響的主要措施減小漂移影響的主要措施（1 1

8、）采用低漂移放大電路；）采用低漂移放大電路；（2 2）合理設計偏置電路；）合理設計偏置電路； （R3= R1 / R2 ）（3 3）采用信號調(diào)制解調(diào)。）采用信號調(diào)制解調(diào)。uoR2ui+-+ NR1R3 2. 信號放大電路信號放大電路 2.1 2.1 測量放大電路的主要誤差源測量放大電路的主要誤差源在許多情況下需要測量的參數(shù)是差值在許多情況下需要測量的參數(shù)是差值 形狀誤差、位置誤差、差壓、溫差形狀誤差、位置誤差、差壓、溫差有許多參數(shù)表面上看不是差值，實際還是差值有許多參數(shù)表面上看不是差值，實際還是差值在多數(shù)情況下外界干擾主要是共模干擾在多數(shù)情況下外界干擾主要是共模干擾在集成電路制造中，比較容易保

9、證的是參數(shù)的一致性在集成電路制造中，比較容易保證的是參數(shù)的一致性2. 信號放大電路信號放大電路2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路精精一、基本差動放大電路 基本差動放大電路是反相放大電路與同相放大電路的組合2. 信號放大電路信號放大電路ui+- NuoR1R2R312f1RRKuoui+-+NR1R2R312fRRK反相放大電路同相放大電路2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路 測控電路172021-11-26一、基本差動放大電路一、基本差動放大電路2.信號放大電路uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時電路的輸出uo1 i112o1uRRuu

10、i2作用時電路的輸出uo2 i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路獨立作用原理獨立作用原理2.信號放大電路一、基本差動放大電路i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu取R2/R1=R4/R3 )(i1i212ouuRRu具有共模抑制能力。 2.2 高共模抑制比放大電路uo+-+Nui1R1R2R4ui2R32.信號放大電路一、基本差動放大電路實際上不可能完全做到實際上不可能完全做到R2/R1=R4/R3 i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuidd

11、iccid12121434ic12121434o21uKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuu2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路2.信號放大電路一、基本差動放大電路1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR電路結構簡單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。2.2 高共模抑制比放大電路2.信號放大電路二、同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1特色：1. 同相輸入、高輸入阻抗；2. 對于N2仍然是差

12、動放大電路1 i121o)1 (uRRu4o2i32i1oRuuRuu1 i34122i34o)1 ()1 (uRRRRuRRu2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路基爾霍夫定理基爾霍夫定理2.信號放大電路二、二、同相串聯(lián)同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路id314234ic3142o)21 (21)1 (uRRRRRRuRRRRu3421RRRR取取34d1RRK424313241321121RR RRR RCMRRR RR R2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1增益與共模抑制比牽連

13、增益與共模抑制比牽連2.信號放大電路三、三運放高共模抑制比放大電路三、三運放高共模抑制比放大電路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N32.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路RP調(diào)整兩臂平衡2.信號放大電路0i12i11o1 i22i2oRuuRuuRuuIR2i011 i011o)1 (uRRuRRu1 i022i022o)1 (uRRuRRu)(1 (1 i2i0211o2ouuRRRuu0211 i2i1o2od1RRRuuuuK電路特點：電路特點：1. 1. 輸入阻抗高；輸入阻抗高；2.2.增益調(diào)整方便；增益調(diào)

14、整方便；3.3.對于理想運放，共模對于理想運放，共模抑制比趨向無限大。抑制比趨向無限大。R7RPR8R3R4R6uoR5-+N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2+-+N1IR-+N2三、三運放高共模抑制比放大電路三、三運放高共模抑制比放大電路2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路uo+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4-+N2-+N3uo2uo1在信號傳輸中常采用屏蔽電纜在信號傳輸中常采用屏蔽電纜 當傳感器與測量放大電路

15、間有一定距離時，常用屏蔽電纜連接，屏蔽層一般接地。電纜輸入芯線與其屏蔽層之間的電容C1和C2 ，以及傳感器和傳輸電纜內(nèi)阻RS1和RS2將在放大器輸入端形成兩個積分電路。共模輸入信號uic 在RS1、RS2上產(chǎn)生jRS1C1uic、jRS2C2uic的壓降 2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路差 動放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路n引起輸出端差模電壓2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路coc2oc1icS22S11uuuuR

16、CR Cn對于原來 的電路CMRR 11S22S1CRCRCMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路uo+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4-+N2-+N3uo2uo1n引入有源屏蔽驅動電路，屏蔽電纜芯線與屏蔽層共模電壓為零，消除了屏蔽電纜電容的影響。 2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4-+N2-+N3uo（1）差動放大器件特性不一致共模電壓產(chǎn)生差動電壓引起共模抑制比變化1212111CMRR

17、CMRRCMRR2.信號放大電路ccc1c2uu KK五、運放器件偏離理想特性的影響五、運放器件偏離理想特性的影響121212CMRR CMRRCMRRCMRRCMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路dc1KCMRRKR7RPR8R3R4R6uoR5-+N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2+-+N1IR-+N2（2）差動放大器特性不理想共模增益同時受阻抗不匹配和運算放大器N3的有限共模抑制比影響，由阻抗不匹配引起附加共模增益運算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信號放大電路五、運放器件偏離理想特性的影響五、運放器件偏離理想特性的影響dRKCMRRd3K

18、CMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路cd1KCMRRK2.信號放大電路五、運放器件偏離理想特性的影響五、運放器件偏離理想特性的影響（2）差動放大器特性不理想總附加共模增益比總共模抑制比311RCMRRCMRR333RRCMRR CMRRCMMRCMRRCMRR 2.2 2.2 高共模抑制比放大電路高共模抑制比放大電路cd1KCMRRKn某些傳感器輸出的信號電壓常在在微伏級，且為直流緩變信號，漂移是一個關鍵難題。常用措施包括(1)盡早調(diào)制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信號放大電路。n許多情況下難以在傳感器內(nèi)直接調(diào)制，減小測量放大電路的電壓漂移，實現(xiàn)低漂移信號放大至

19、關重要。n集成電路中放大器通過模擬開關切換輪換工作，半個周期測量保存、失調(diào)電壓，另半個周期放大輸出，對失調(diào)電壓進行校正，實現(xiàn)自動調(diào)零。 2.3 低漂移放大電路低漂移放大電路2. 信號放大電路信號放大電路精精2. 信號放大電路信號放大電路2.3 低漂移放大電路低漂移放大電路Uo-+N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4時鐘2. 信號放大電路信號放大電路2.3 低漂移放大電路低漂移放大電路-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4高低2. 信號放大電路2.3 低漂移放大電路b)誤差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-

20、+N1-+N2U0s1U0s21o10 22()CsUUUK o10 111()sCUUUK 120s120s20s210s10s11211CK K UK UUUUUK KK2. 信號放大電路信號放大電路2.3 低漂移放大電路低漂移放大電路Uo-+N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4時鐘高低2. 信號放大電路信號放大電路2.3 低漂移放大電路低漂移放大電路i121111s012ioURRKUKURRUUCc) 調(diào)零放大輸出UoC1UiR1R2K1-+N1U0s12. 信號放大電路2.4 高輸入阻抗放大電路問題提出：電路的接入不應該影響原系統(tǒng)工作狀態(tài)有些傳

21、感器（如電容式、壓電式）的輸出阻抗很高，可達108以上，這就要求其測量放大電路具有很高的輸入阻抗，不至于因為放大電路的接入使傳感器輸出信號大幅度下降。開環(huán)集成運算放大器的輸入阻抗通常都很高，但反相運算放大電路等，其輸入阻抗遠低于同相運算放大電路。 R2ui+-+ NR1R3精精2. 信號放大電路2.4 高輸入阻抗放大電路uoui+-NR1R2R3+-NuiuoR1R2b) 跟隨電路a) 同相放大電路 采用同相輸入具有很高輸入阻抗 測控電路402021-11-262. 信號放大電路信號放大電路uo+-NuiR1R2R3R4C12.4 高輸入阻抗放大電路高輸入阻抗放大電路對于交流放大器需要為電容提

22、供放電通道，它使輸入阻抗大幅度下降交流放大電路交流放大電路 測控電路412021-11-26c)自舉式高輸入阻抗放大電路uoR1R2C2C1R3-+ui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。2. 信號放大電路2.4 高輸入阻抗放大電路 測控電路422021-11-26d)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3-+2. 信號放大電路2.4 高輸入阻抗放大電路 測控電路432021-11-26e)電流補償型電路輸入電阻為Ri=(R1R2)/(R2-R1)當R2=R1時，Ri， i2 = i1 uo1uii1i2R1iuo22R

23、1R3R2-+N1-+R3N22. 信號放大電路i13o1uRRuio1312o22uuRRui21122i2o1iuRRRRRuuRui2.4 高輸入阻抗放大電路13RR2. 信號放大電路2.5 電橋放大電路電橋放大電路P應變片測量力應變片測量力uuo靈靈2. 信號放大電路2.5 電橋放大電路電橋放大電路uuousucx線圈線圈測桿測桿工件工件銜鐵銜鐵 測控電路462021-11-26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，或由傳感器和運算放大器構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

24、傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉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成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 2.5 電橋放大電路電橋放大電路2. 信號放大電路 測控電路472021-11-26（一）反相輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na點為虛地，故uo反饋到R1兩端的電壓定是-uab2.5 電橋放大電路電橋放大電路2. 信號放大電路uZZZZZZuab)(313424uZZZZZZRRRu)()()(313424211ouZZZZZZZZRRu)()1 (4231413212o)2(14)1 (12ouRRuZ1=Z2=Z4=R,

25、Z3=R(1+), =R/R 2. 信號放大電路R+RR2R1uo-+NRRRu2.5 電橋放大電路電橋放大電路n（二）同相輸入電橋放大電路)2(14)1 (12ouRRu 測控電路492021-11-26（三）差動輸入電橋放大電路2.5 電橋放大電路電橋放大電路R1=R2 R 221ouRRRuua)2()1 (uubua=ub 4)2(1)21 (1ouRRu2. 信號放大電路-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR 測控電路502021-11-26（四）線性電橋放大電路（四）線性電橋放大電路2.5 電橋放大電路電橋放大電路2. 信號放大電路uoR3R2 =R(1+)R1uua

26、R1ub-+N)()()()(1221o121oRRuRRuuRRRuuua)(313RRRuubuRRRRuRRRRRRRu31231231312o)(1 (RRRuu1oua = ub 當R3 =R時 量程較大，但靈敏度較低 電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關系的測量放大電路。例如，壓電式傳感器例關系的測量放大電路。例如，壓電式傳感器或電容式傳感器可將某些被測量（如力、壓力或電容式傳感器可將某些被測量（如力、壓力等）轉換成電荷信號輸出，再通過電荷放大電等）轉換成電荷信號輸出，再通過電荷放大電路輸出放大了的電壓信號。因此，電荷放大電路輸出放大

27、了的電壓信號。因此，電荷放大電路亦稱為電荷路亦稱為電荷- -電壓變換電路。電壓變換電路。2. 信號放大電路2.6 2.6 電荷放大電路電荷放大電路 靈靈2. 信號放大電路2.6 2.6 電荷放大電路電荷放大電路 QCRRiCiCcRsCs-+Nuob) 實際等效電路圖實際等效電路圖QCuo-+Na) 基本原理圖基本原理圖Cs傳感器等效電容， Rs傳感器泄漏電阻，Cc 電纜電容，Ri 運算放大器的輸入電阻，Ci 運算放大器的輸入電容。R 電荷泄放電阻。 2. 信號放大電路2.6 2.6 電荷放大電路電荷放大電路 把C、R等效到N的輸入端時，等效電阻R/(1+K)，等效電容C= C(1+K)， K

28、足夠大 )1 (j)1 ()1 ()1(jicsisoCKCCCRKRRQKURCRQUj1jo2. 信號放大電路2.6 2.6 電荷放大電路電荷放大電路 )1 (j)1 ()1 ()1(jicsisoCKCCCRKRRQKUcsicsi(1)CCCCCCCK CRCf21L 足夠大,相對運算誤差頻率特性 ,下限截止頻率高頻特性由運放器件特性決定 增益可控放大電路可以根據(jù)被測量值自動調(diào)整增益，增益可控放大電路可以根據(jù)被測量值自動調(diào)整增益，以適應測量不同范圍量值需要，使用靈活，有利于以適應測量不同范圍量值需要，使用靈活，有利于提高測量精度。提高測量精度。(1)改變反饋電阻的自動改變反饋電阻的自動

29、 增益調(diào)整電路增益調(diào)整電路 Rx=R3+r V飽和導通，飽和導通，r很小，電路增益最大很小，電路增益最大; ; V截止，截止，r，電路增益最小。，電路增益最小。 2. 信號放大電路2.7 2.7 增益可控放大電路增益可控放大電路 2424oi1xRRR RRuuR uoR2R4R1ui控制信號R3-+NV靈靈(2)可編程增益放大電路 根據(jù)需要將R3R6與 R2并聯(lián)，使增益減小。2. 信號放大電路2.7 2.7 增益可控放大電路增益可控放大電路 增益 A B C D100 1 1 1 150 0 1 1 110 1 0 1 12 1 1 0 11 1 1 1 0UoUi1M110k20.4k10

30、.1kABCDR21MR110k10k-+NR3R4R5R6（3）LH0084集成可編程增益差動放大器 2. 信號放大電路2.7 2.7 增益可控放大電路增益可控放大電路 譯碼器和開關驅動電路Ui1R6Sa110kU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kR22kR14kR32kR56kR710kR910kR1330kR1560kR1460kR810kR1230kR1010kR1110kD0D1數(shù)字地810746110Uo131612151114+-+N1-+N3#U23Ui2-+N2（3）LH0084集成可編程增益差動放大器 改變R0、R1、R2改變差動級增益。改變R5、R6改變末級增益。2. 信號放大電路2.7 2.7 增益可控放大電路增益可控放大電路 ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N32. 信號放大電路2.7 2.7 增益可控放大電路增益可控放大電路 LH0084的數(shù)字輸入、輸出端子連接和放大倍數(shù)表的數(shù)字輸入、輸出端子連接和放大倍數(shù)表數(shù)字輸入數(shù)字輸入D1 D0閉合開關閉合開關差動級放大倍數(shù)差動級放大倍數(shù)（U 2-U1）/（U i2-U i1）連接端子連接端子輸出級放大倍數(shù)輸出級放大倍數(shù)Uo/（U2-U1）總放大倍數(shù)總放大倍數(shù)Uo/（U i2-U i1）0 00 11 01 1Sa1、Sb1Sa