l第11章-模擬信號調(diào)理課件

1、運放的基本問題第11章 模擬信號調(diào)理由運放組成模擬有源濾波器儀用放大器非線性模擬信號的處理電荷放大器第1頁，共42頁。10-1 引言信號調(diào)理的功能：電壓放大；阻抗變換。本章主要討論：InputTransducerAnalogSignalConditioningData Processing運算放大器；儀用放大器；隔離放大器；模擬乘法器等：第2頁，共42頁。10-2 運算放大器 +_CMRR，運放的開環(huán)傳遞函數(shù)技術(shù)參數(shù)運放的技術(shù)參數(shù)其中， KVO為開環(huán)增益，為3dB頻率點；為AD的頻率點輸入電阻(1013)，輸出電阻，上升速率(V/s)增益帶寬積GBWP=f1* KVO開環(huán)增益，DC偏置電流IB

2、，DC失調(diào)電壓VOS，放大器的輸出電壓第3頁，共42頁。低功耗：供電電源15V、 12V、 5V ，電流10mA運放的分類低噪聲：用于前級放大。（斬波穩(wěn)零）;快速： 25V/s GBWP75MHz ;功率運放：10mA， 15V(40150V,30A)某一型號的運放，可能在多個分類下都能查到，例如PA84增益帶寬積：75MHz；上升速率：200V/ s ;峰值輸出電壓143V;電流40mA理想運放：差分壓控電壓源第4頁，共42頁。運放采用FET輸入級，Ri可達1012 若考慮運放非理想由可簡化為同相放大器+_VoVsR1RF和得可導出，增益帶寬積為,與運放的增益帶寬積相同。第5頁，共42頁。對

3、于多輸入反相放大器其中當反相放大器和加法器+_VoVs1R1RFVs2R2第i個輸入的增益帶寬積第6頁，共42頁。10-3 使用傳統(tǒng)的運放組成模擬有源濾波器一、概述作用：改善信噪比；消除干擾；A/D-C的予濾波；LPF用于非線性電路輸出的平滑處理。分類：dBfndBfLfHdBfLdBfndBfndBHigh passBroad band passNarrow band passLow passBand reject or notchAll pass第7頁，共42頁。模擬有源濾波器的結(jié)構(gòu)不同的濾波器結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)同樣傳遞函數(shù)。結(jié)構(gòu)不同的濾波器可分為：元件最少型； 增益靈敏度低型； 參數(shù)變化靈活型

4、。只討論較易設(shè)計的濾波器結(jié)構(gòu)。假設(shè)運放為理想。二、壓控電壓源源有源濾波器+_VoVsRARFR2R1C1C2V1V2Sallen and Key 二階LPF（1）低通低通濾波器第8頁，共42頁。節(jié)點V1的節(jié)點方程+_VoVsRARFR2R1C1C2V1V2(2)(1)代入(2)閉環(huán)放大倍數(shù)KV過大，會造成電路自激震蕩（R1=R2 ，C1=C2時，KV3）。 KV =1時上式分母為一標準的二次形式第9頁，共42頁。中，當R1=R2時，自由振蕩角頻率阻尼系數(shù)由C1、C2之比調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)，由電阻值調(diào)節(jié)n。+_VoVsRARFR2R1C1C2Sallen and Key HPF設(shè)C1=C2， Kn=1

5、阻尼系數(shù)高通濾波器第10頁，共42頁。+_VoVsR3R2R1CCV1V2帶通低通濾波器自由振蕩角頻率諧振點增益電路的Q值 此電路的AVPK、Q值與C無關(guān)，設(shè)置好 AVPK、Q值后，由電容值設(shè)置n的值。第11頁，共42頁。三、通用阻抗變換器有源濾波器通用阻抗變換器(Generalized Impedance Converter GIC)I1Z3Z2Z1IOAV1V2+_+_V1V1V3Z4Z5IOAI2I3I4I5GIC的對地輸入阻抗由上三個方程可得第12頁，共42頁。等效電感如果 ，其余為電阻，則Z11為高Q值的感抗最后得到GIC的驅(qū)動點阻抗如果Z1、Z5均為電容，Z11為頻控負電阻元件D基

6、于GIC得到的感抗、“D”元件，可以設(shè)計出低通、高通、寬帶通、窄帶通、帶阻、全通濾波器。(頻控負電阻)第13頁，共42頁。GICInductor+_VoVsRCV1帶通濾波器GICD-element+_VoVsRCV1使用GIC的二階帶通濾波器使用GIC頻控負電阻的二階LPF低通濾波器第14頁，共42頁。GICD-elementV2=VoVsRV1I1CV5Z1=Z2=Z4=Z5=RZ2=1/sC基于GIC的全通濾波器四、高階有源濾波器 高階濾波器可通過二階濾波器的級聯(lián)實現(xiàn)。Butterworth 濾波器通帶無紋波；相頻非線性；阻帶衰減-20n dB/十倍頻程。chebychev 濾波器通帶有

7、紋波；同樣的衰減，極點階次比Butterworth 濾波器的階次要低。橢圓 濾波器為了獲得過度帶較大的衰減，濾波器通帶、阻帶均有紋波。第15頁，共42頁。五、基于運放的積分器和微分器在對輸入信號進行調(diào)理時，有時要對輸入信號進行微積分。簡單的模擬積分電路中，會出現(xiàn)問題：（1）輸入信號中包含直流分量 時，積分器的輸出會飽和；（2）積分器要對其自身的失調(diào) 電壓和偏置電流進行積分。 使用自動穩(wěn)零運放可以減小模擬積分器的漂移； 數(shù)字積分電路可消除偏置電流和漂移問題；+_VoVosRCIBIOA積分器：第16頁，共42頁。簡單的模擬微分電路中，失調(diào)和漂移引起的問題不大，但是，實際運放的有限帶寬，會出現(xiàn)高頻

8、的暫態(tài)問題。+_VoV-RCViOACF節(jié)點V-的節(jié)點方程運放的開環(huán)傳遞函數(shù)由上兩式，得對于低頻輸入：微分器：第17頁，共42頁。對于高頻輸入：舉例說明，R=1M, C=1F, =1mS, KV=106。算出n=3.16104 rad/s , =1.60 10-2 。解決方法：電阻上并聯(lián)一電容。+_VoV-RCViOACF第18頁，共42頁。10-4 儀用放大器 Instrumentation Amplifiers (IAs)儀用放大器通常指具有下列性能的差分放大器： 直接耦合 低噪聲 高輸入阻抗 高CMRR、 060dB增益、 DC幾百k的帶寬 儀用放大器的帶寬、上升速率都很一般。但在輸入電

9、阻和CMRR上有良好的性能。第19頁，共42頁。一、由運放組成的儀用放大器VoVS_+OA1R4_+OA2_+OA3R3R3R4R2R2R1VSV3V4右圖為熟知的3-Op IA.差分增益11000(由R1調(diào)節(jié))電阻Ri、Ri 嚴格匹配。對于OA3電路僅由OA3構(gòu)成的差分電路，其輸入阻抗低，且兩端的阻抗不相等。引入兩對稱電路OA1、OA2。 OA1、OA2的輸入可分為共模輸入和差模輸入。VS、VS共模輸入： Vo=0實際中，由于各種非理想因素， Vo 0 。第20頁，共42頁。當VS、VS差模輸入時，此IA結(jié)構(gòu)可用于商業(yè)的IA芯片設(shè)計。要求電阻嚴格配對。某個電阻設(shè)為可調(diào)，以獲得最大的CMRR。

10、VoVS_+OA1R4_+OA2_+OA3R3R3R4R2R2R1VSV3V4+-第21頁，共42頁。兩op amp的IA電路。由疊加定理當VS=0，VS作用時，所以當VS =0，VS作用時，VoVS_+OA1_+OA2RFVSRRRR高CMRR要求電阻嚴格匹配，輸入級采用FET，可獲得高Zi。二、隔離放大器(Isolation Amplifiers) 在抗干擾、安全絕緣及高共模輸入等場合，需要將輸入級與后級隔離。具有此功能的器件為隔離放大器。隔離的方法有：變壓器耦合；光電耦合。第22頁，共42頁。45123-+FilterMODIsolatedPower Suppy#1109867-+Fil

11、terIsolatedPower Suppy#2DEMOD100kHz SuppyOscillatorRegulatorINPUTOUTPUTPOWER+15V-15VVOUT15V同步In/OutDCPWRPWRCOM5mAPWROutCOMGAININAD289的框圖T1T2RG第23頁，共42頁。增益11000，取決于外接電阻；AD294A：CMRR=100dB；CMV=3500V；輸入阻抗108，150pF；帶寬2.5KHz(增益1100)；AD294A廣泛用于從獲取心電信號(ECG)、腦電信號(EEG) 典型隔離運放介紹：IA296(Intronics公司)：增益10(固定值)；帶寬

12、1KHz；CMRR=160dB；CMV=5000V；輸入阻抗1011/10pF；DM108/2pF (DCM) ；輸入偏置電流0.2nA；IB溫度系數(shù)5pA/輸入(DC)偏置電流2nA；IA296的特點是低噪聲，可用于從獲取低電平的生物信號，如fetal ECGs、EEGs、第24頁，共42頁。3562(BB公司)：程控放大器的增益可以通過數(shù)字邏輯控制。隔離放大器3562為光電耦合器件。芯片內(nèi)部無電源，需外加DC/DC電源，如BB722。此芯片的帶寬15kHz。三、程控放大器(Programmed Amplifiers)芯片AD562：反饋電阻的切換由模擬開關(guān)實現(xiàn)。VoVS_+OA程控信號通常

13、采用權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)或T電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)Rf。Rf單片可編程放大器，放大倍數(shù)：1,2,3,4,8,16.Intersil ICL7605/7606四、自動穩(wěn)零放大器(Autozero Amplifiers)National Semiconductor LMC669第25頁，共42頁。10-5 非線性模擬信號的處理全波整流或絕對值電路；多功能轉(zhuǎn)換電路；RMS/DC轉(zhuǎn)換電路；峰值檢測電路；采樣保持或跟蹤保持電路；平方根電路；專用函數(shù)模塊（對數(shù)，三角函數(shù)）DC電壓表測量專用函數(shù)模塊第26頁，共42頁。設(shè)在v1的正半周，OA1的輸出為負，D2導通, v2 =- v1Vov1_+OA1_+OA2RR2R/2RRD

14、1D2全波整流電路v2v3在v1的負半周，OA1的輸出為正，D2截止， v1 =0一、精密的絕對值電路 (Precision Absolute Value Circuits)絕對值電路在測量和信號處理中有廣泛應(yīng)用。全波整流電路DC電壓表正弦交流電壓例第27頁，共42頁。右圖電路為高輸入阻抗的絕對值電路。Vov1_+OA2CR3 =(n+1)R1/(n-1)_+OA1D1D2R1R2nR1小電容C用于改善電路的高頻響應(yīng)。R1、 R3做成可調(diào)式，以保證電路工作對稱。在v1的正半周，在v1的負半周，在v1較小值時，調(diào)節(jié)電阻R/2，使整流輸出的波形相對稱。此電路的輸入電阻較小（R/2）。OA2構(gòu)成一加

15、法器第28頁，共42頁。CR3 =(n+1)R1/(n-1)_+OA1D1D2R2VoPVb_+DAX0+XNM第29頁，共42頁。m=KD1= KD2=1_+DA1V2_+DA2VYVZV1V3VXVO由上兩式，得多功能轉(zhuǎn)換器由模擬LSI電路構(gòu)成，其實現(xiàn)的功能為二、多功能轉(zhuǎn)換器 (Multifunction converters)輸入電壓范圍：010V；頻率范圍：DC400kHz；M：0.25.0應(yīng)用：乘法；平方；平方根；指數(shù)；真RMS；向量的模。芯片：4302(BB公司)；AD538(AD公司)第30頁，共42頁。三、真有效值/直流轉(zhuǎn)換器 (True RMS/DC Converters)應(yīng)

16、用：非正弦信號的測量噪音(Acoustical Noise)的測量 生物醫(yī)學信號(如EMGs)有效值的測量芯片：右圖所示電路，R、C組成LPF，實現(xiàn)“均”即4341(BB公司)，帶寬：450kHz（3dB）；AD637(AD公司)。帶寬：8MHz，最大輸出：7V RMS準確度：5mV0.2%；非線性誤差：0.02%(02V輸入)V1_+OAVYVZRm=1VOC顯然第31頁，共42頁。四、平方根電路和除法器 (Square Root Circuits and Dividers)平方根電路V1_+IOAR1V10VORF實現(xiàn)平方根運算的其他方法，如取多功能轉(zhuǎn)換器的指數(shù)m=0.5平方根電路要求輸入

17、信號V1、V2為正(V10)，右圖所示，在反饋中加入模擬乘法器。顯然即除法電路V1_+IOAR1(V1、 V20 )VORFV2除法電路多功能轉(zhuǎn)換器的指數(shù)m=1，亦可實現(xiàn)除法。第32頁，共42頁。五、峰值檢測和采樣保持電路(Peak Detectors & S/H Circuits)峰值檢測的應(yīng)用：OA2為高輸入阻抗的跟隨器。假設(shè)CH漏電流、D2反向電流、運放偏置電流均為零。生物醫(yī)學中記錄血壓的最大值(收縮壓)和最小值(舒張壓)；峰值檢測電路VoV1_+OA2CH+OA1D1D2RFR2RSTD3V2峰值檢測器輸出電壓速率R2 、 D3用來克服D2的反向漏電流產(chǎn)生的誤差。模擬開關(guān)用來復位VO

18、。CH數(shù)值過小，電容上的電壓漂移大； CH大，dVO/dt變小。折中考慮， CH 取1nF0.1F.第33頁，共42頁。采樣保持電路應(yīng)用：A/D-C基本的S/H電路VoV1_+OA2CH+OA1RFVS運放的失調(diào)電流和模擬開關(guān)的漏電流要對電容充電，由此產(chǎn)生誤差。問題：改進：法二：注入一與之反向的充電電流； 法一：引入兩個保持電容，誤差因素作用在其上的電壓相抵。六、對數(shù)比、三角函數(shù)ICsLog Ratio ICK=1,2,3, 或5芯片：LOG100(BB)；AD757、AD640(AD)三角函數(shù)ICAD639第34頁，共42頁。10-6 電荷放大器(Charge Amplifiers)應(yīng)用：壓

19、電傳感器的絕緣和調(diào)理，用于測量力、壓力等；電容器存儲的電荷的測量；電場強度的間接測量。一、用于壓電傳感器的電荷放大器壓電傳感器的電路模型電流源dP、電導GX和電容CX的并聯(lián)，參數(shù)d與材料、晶體切割方向有關(guān)。dP(t)CXGX電荷放大器電路設(shè)運放為理想， GX、CX壓降為零dP(t)CXGXVo_+IOACF第35頁，共42頁。一、用于測量電容器電荷的電荷放大器設(shè)運放為理想，測量C1上的Q1,t=0C1R1Vo_+IOACFt=0Q1S2S1t=0時， S1 閉合， S2 打開，在34倍時間常數(shù) R1C1 后，因此，通過測量電壓，可測小電容上的電荷。要求： C1放電電流要小于運放的灌電流能力。實際電路中的誤差：(V)T：開關(guān)動作到讀取VO之間的時間。實際中，選擇合適的電路參數(shù)，可使VO相當小。第