二信號(hào)放大電路

1、第二章 信號(hào)放大電路8/20/20221放大電路功能:作用：對(duì)傳感器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大,以便去進(jìn)行 轉(zhuǎn)換處理、推動(dòng)指示器、記錄器或控制機(jī)構(gòu)。由于傳感器的輸出信號(hào)形式和大小不相同，其所處環(huán)境條件、噪聲也不相同，則放大電路的形式及性能指標(biāo)也不相同。有時(shí)要求對(duì)放大增益能程控，有時(shí)要求進(jìn)行線性化，有時(shí)要對(duì)強(qiáng)噪聲背景下的信號(hào)進(jìn)行提取，有時(shí)還要求對(duì)傳感器與放大電路隔離。8/20/20222放大電路的形式：在放大電路中，分立元件的放大電路基本淘汰，取而代之的是由運(yùn)算放大器組成的各種類型的放大電路，以及專有性能的單片集成放大器。8/20/20223集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 目前廣泛應(yīng)用的電壓型集成運(yùn)算放大器是一種

2、高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路,例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多,可適用于不同的場(chǎng)合。8/20/20224集成運(yùn)算放大器的分類按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類：1通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以

3、場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。 8/20/202252高阻型運(yùn)算放大器 這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid（1091012）,IIB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí), 不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。 8/20/202263低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器

4、、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。8/20/202274高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、mA715等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。 8/2

5、0/202285低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為2V18V,消耗電流為50250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí),例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。 8/20/202296高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路

6、。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V,A791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。 8/20/202210正確選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運(yùn)算放大器組成的各種系統(tǒng)中,由于應(yīng)用要求不一樣,對(duì)運(yùn)算放大器的性能要求也不一樣。8/20/202211在沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合,盡量選用通用型集成運(yùn)放,這樣即可降低成本,又容易保證貨源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí),盡可能選用多運(yùn)放集成電路,例如LM324、LF347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝在一起的集成電路。8/20/202212實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)應(yīng)考慮的

7、因素主要有：信號(hào)源的性質(zhì),是電壓源還是電流源;負(fù)載的性質(zhì),集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求;環(huán)境條件,集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。 8/20/202213集成運(yùn)算放大器的使用要點(diǎn) 1集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式,對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。（1）對(duì)稱雙電源供電方式運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端（地）的正電源（+E）與負(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。（2）

8、單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位,如圖3.2.1所示。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。對(duì)于交流放大器,靜態(tài)時(shí),運(yùn)算放大器的輸出電壓近似為VCC/2,為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。 8/20/202214運(yùn)算放大器單電源供電電路 8/20/2022152集成運(yùn)放的調(diào)零問(wèn)題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度,要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器

9、的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零,而對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零方法。以mA741為例,下圖給出了常用調(diào)零電路。圖(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路;圖（b）是外部調(diào)零電路。 8/20/202216運(yùn)算放大器的常用調(diào)零電路 8/20/2022173集成運(yùn)放的自激振蕩問(wèn)題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器,在接成深度負(fù)反饋條件下,很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作,就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),以消除自激振蕩。下圖是相位補(bǔ)償?shù)氖褂秒娐贰?8/20/202218運(yùn)算放大器的自激消除另外,防止通過(guò)電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)供電電源的輸入端對(duì)

10、地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF0.1mF）。如圖所示。 8/20/2022194集成運(yùn)放的保護(hù)問(wèn)題 集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。（1）電源保護(hù)電源的常見(jiàn)故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護(hù)和電源電壓突變保護(hù)電路見(jiàn)下圖 （a）、(b)所示。對(duì)于性能較差的電源,在電源接通和斷開瞬間,往往出現(xiàn)電壓過(guò)沖。圖(b)中采用FET電流源和穩(wěn)壓管鉗位保護(hù),穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值大于集成運(yùn)放的正常工作電壓而小于集成運(yùn)放的最大允許工作電壓。FET管的電流應(yīng)大于集成運(yùn)放的正常工作電流。8/20/202220集成運(yùn)放電源保護(hù)電路 8/20/20222

11、1（2）輸入保護(hù)集成運(yùn)放的輸入差模電壓過(guò)高或者輸入共模電壓過(guò)高（超出該集成運(yùn)放的極限參數(shù)范圍）,集成運(yùn)放也會(huì)損壞。下圖 所示是典型輸入保護(hù)電路。8/20/202222（3）輸出保護(hù)當(dāng)集成運(yùn)放過(guò)載或輸出端短路時(shí),若沒(méi)有保護(hù)電路,該運(yùn)放就會(huì)損壞。但有些集成運(yùn)放內(nèi)部設(shè)置了限流保護(hù)或短路保護(hù),使用這些器件就不需再加輸出保護(hù)。對(duì)于內(nèi)部沒(méi)有限流或短路保護(hù)的集成運(yùn)放,可以采用下圖所示的輸出保護(hù)電路。在圖中,當(dāng)輸出保護(hù)時(shí),由電阻R起限流保護(hù)作用。 8/20/202223第一節(jié) 測(cè)量放大電路一、何謂測(cè)量放大電路？對(duì)其基本要求是什么？ 1、何謂測(cè)量放大電路？ 在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來(lái)放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或

12、電荷信號(hào)的放大電路稱為測(cè)量放大電路，亦稱儀用放大電路。8/20/2022242、對(duì)其基本要求：輸入阻抗應(yīng)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；低輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低漂移；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。8/20/202225傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn):微弱,到電路的距離較長(zhǎng),傳感器有內(nèi)阻,連接導(dǎo)線有電阻,易于引入干擾。不同的傳感器決定用不同結(jié)構(gòu)的放大電路，電阻應(yīng)變式傳感器用直流電橋；差動(dòng)電容用交流電橋；光電池用電流放大器等。8/20/2022263、測(cè)量放大電路的類型測(cè)量放大電路的頻帶寬度：由被測(cè)參數(shù)的頻

13、率范圍和載波信號(hào)的頻率決定低的至直流，高的到1011HZ。按結(jié)構(gòu)原理: 差動(dòng)直接耦合、調(diào)制式、自動(dòng)穩(wěn)零式按制造方式:分立元件、通用集成運(yùn)算放大器、單片集成測(cè)量放大器。 8/20/2022274、幾個(gè)重要術(shù)語(yǔ)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(diǎn)漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 8/20/202228關(guān)于運(yùn)算放大器R1 3kR2 30kR3 2.7k+-A1F7414327+15v6RW4.7K15-15V8/20/202229二、典型放大器的設(shè)計(jì)（一）反相放大器uoR3uiR1R2-+N1Kf= uo / ui = R2 / R

14、1R3= R1 / R2 （平衡電阻）Zi = R1 （輸入阻抗）特點(diǎn)：放大倍數(shù)可大于1，也可小于1；輸出與輸入相位相反；輸入阻抗低；不承受共模信號(hào)。8/20/202230（二）同相放大器uoR3uiR1R2-+N1Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2 （平衡電阻）Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 （輸入阻抗）運(yùn)放承受與輸入信號(hào)等大小的共模信號(hào)；放大倍數(shù)大于1；輸入阻抗高；輸出與輸入同相。8/20/202231（三）交流放大器uoR3uiR1R2-+N1C1C31、交流反相放大電路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直電容C3：旁路電

15、容，防止振蕩C3R3C1R18/20/202232uoR3uiR1R2-+N1C12、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(diǎn)8/20/202233uoR3uiR2-+N1C13、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= R28/20/202234設(shè)計(jì)放大器時(shí)對(duì)輸入偏置電流IIB的考慮uoui-+N1CRuoui-+N1CRuoui-+N1CR由于運(yùn)放同相輸入端沒(méi)有直流通路，不能為運(yùn)放提供偏置電流，所以電路不能正常工作。由于電阻R 能夠?yàn)檫\(yùn)放提供偏置電流，電路能夠工作，但由于輸入偏置電流在電阻產(chǎn)生明顯的壓降

16、，從而影響電路的精度。在運(yùn)放反相輸入端加上一個(gè)平衡電阻，可以使運(yùn)放兩個(gè)輸入端由偏置電流在電阻上產(chǎn)生的壓降相等，消除偏置電流的影響。8/20/2022354、自舉式高輸入阻抗放大電路a)同相交流放大電路R1+R2為隔直電容C1的放電電阻，無(wú)C2時(shí)，此電路的交流入抗為R1+R2 ，比較小。由C2將運(yùn)放二輸入端交流電壓引到R1兩端，由虛短，則R1兩端電壓為0，無(wú)信號(hào)電流，對(duì)交流而言R1為無(wú)窮大。uoR1R2C2C1R3-+uiN8/20/202236b)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3-+N通過(guò)C2，將輸出反饋到R1的另一端，使R1兩端電位相同，大大提高了電路的輸入阻抗。8/20/202

17、237Uo= - (R3/R1)Ui Uo2= - (2R1/R3)Uo=-2Uii = (Ui/R1)-(UO2-Ui)/R2 = (R2-R1)/R1R2 Ui入抗Ri=Ui / i=(R1R2)/(R2-R1 )假定R2=R1 , i2=(Uo2-Ui )/R2=Ui/R1=i1上式說(shuō)明,無(wú)輸入電流,入抗為無(wú)窮大,也即R2與R1有一點(diǎn)偏差,則入抗就可極大,一般可達(dá)100M。c)自舉組合電路+-N1+-N2R1R2R32R1R3Uii1UoUo2i2i。8/20/202238何謂自舉電路? 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。

18、是不是所有情況下都要求放大電路具 有高的輸入阻抗？ 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗 很高的測(cè)量放大電路中。如電容式、壓電式 傳感器的測(cè)量放大電路。8/20/202239（四）差動(dòng)放大器什么是差動(dòng)放大器？ 差動(dòng)放大器是把二個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到 運(yùn)算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然 后在輸出端取出二個(gè)信號(hào)的差模成分，而 盡量抑制二個(gè)信號(hào)的共模成分。8/20/202240基本電路 共模與差模輸入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic8/20/2022410R3R4ui2R1uoR2ui1等效電路ud= ui1ui2 , uic=(ui1+

19、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(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大假設(shè)放大器只有共模信號(hào)作用時(shí)uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic當(dāng)R1=R2，R3+R4時(shí)，uoc=0即輸出信號(hào)中無(wú)共模信號(hào)成分8/20/202242三.穩(wěn)零放大電路由于傳感器信號(hào)電壓一般在mV級(jí),則減小放大電路本身的失調(diào)和漂移至關(guān)重要。8/20/202243三種常用電路：（一）由通用集成運(yùn)算放大器組成 的斬波穩(wěn)零放大電路（自學(xué)）； （二）自動(dòng)調(diào)零放大電路；（三）低漂移單片集成運(yùn)算放大器

20、。8/20/202244（一）由通用集成運(yùn)算放大器組成的斬波穩(wěn)零放大電路（自學(xué)）8/20/202245（一）斬波穩(wěn)零放大電路（原理圖）R斬波開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路R1R5R2R3R4C1C3C2C4C5-+NU1U2U3U4UOUi-AUiU1U2U3U4tttttUOSU-U+UA高通低通主通道N放大高頻部分輔助通道A放大低頻和直流成分。8/20/202246由于A為調(diào)制型放大器，可以認(rèn)為其失調(diào)電壓為0設(shè)運(yùn)放N的輸入失調(diào)電壓Uos對(duì)輸出Uo的影響為UO，輸入U(xiǎn)i=0，C3開路,調(diào)制解調(diào)部分和交流放大器總放大倍數(shù)為K，運(yùn)放N的開環(huán)放大倍數(shù)為K1U-=Uos，U+= - KUA UA=UoRR+R5Uo=

21、 - K1（U- - U+）= -K1Uos1+K K1R/（R+R5） - UosK（1+R5R）失調(diào)電壓Uos的影響減小為1/K斬波穩(wěn)零放大電路可放大極其微弱的電壓信號(hào),且能使失調(diào)電壓和溫度漂移減小1-3個(gè)數(shù)量級(jí);但要有高低通濾波器,不利于集成化,且單入時(shí),無(wú)共模抑制能力8/20/202247N3為方波發(fā)生器,驅(qū)動(dòng)Sa1和Sa2,N4是反相器,驅(qū)動(dòng)Sb1和Sb2 。(二)自動(dòng)調(diào)零放大電路(動(dòng)態(tài)校零放大電路)UiSb1Sb2Sa1Sa2R1R2+-+-N1N2N3N4C1Uo。8/20/202248R1R2+-+N1N2C1Uo1UOS1UOS2誤差保持階段Sa1,Sa2接通，Sb1、Sb2

22、斷開UC1=-(UO1-UOS2)K2UO1=（-UOS1+UC1)K1 UC1UOS1-UOS2/K1UOS1(K11, K1K21) K1及K2為開環(huán)增益調(diào)零放大階段Sb1,Sb2接通，Sa1、Sa2斷開UO= - Ui - UOS1 K1+UC1K1- R2R1R2R1Ui將誤差記憶在C1上R1R2+-N1C1UiUoUOS1。8/20/202249電路特點(diǎn)：性能優(yōu)于由通用集成運(yùn)放組成的斬波穩(wěn)零放大電路；輸出電壓較穩(wěn)定；波動(dòng)??；電路成本低（用一塊四運(yùn)放LF347和一塊4位模擬開關(guān)CD4066即可組成）；適用于毫伏級(jí)的低電平放大。8/20/2022501.輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器（CAZ

23、）（三）低漂移集成運(yùn)算放大器什么是CAZ運(yùn)算放大器？CAZ運(yùn)算放大器是輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)性能一致的運(yùn)算放大器交替地工作在信號(hào)放大和自動(dòng)校零兩種不同的狀態(tài)。 8/20/202251通過(guò)模擬開關(guān)的切換使運(yùn)放 N1 和 N2 交替工作在信號(hào)放大和自動(dòng)校零狀態(tài)輸出穩(wěn)定,性能優(yōu)于用通用運(yùn)放組成的低漂移放大電路但對(duì)共模電壓無(wú)抑制作用。+-+-N1N2C1C2+-輸入輸出R1R2G地N2自動(dòng)校零,N1放大+-+-N1N2C1C2+-輸入輸出R1R2G地N1自動(dòng)校零,N2放大。8/20/202252問(wèn)題：該電路與自動(dòng)調(diào)零放大電路的主要 區(qū)別何在？什么場(chǎng)合下采用較

24、為合適？8/20/202253答：CAZ運(yùn)算放大器是輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)性能一致的運(yùn)算放大器交替地工作在信號(hào)放大和自動(dòng)校零兩種不同的狀態(tài)。它與自動(dòng)調(diào)零放大電路的主要區(qū)別是由于兩個(gè)放大器輪換工作，因此始終保持有一個(gè)運(yùn)算放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大并輸出，輸出穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)，性能優(yōu)于由通用集成運(yùn)算放大器組成的自動(dòng)調(diào)零放大電路，但是電路成本較高，且對(duì)共模電壓無(wú)抑制作用。應(yīng)用于傳感器輸出信號(hào)極為微弱，輸出要求穩(wěn)定、漂移極低，對(duì)共模電壓抑制要求不高的場(chǎng)合。 8/20/202254+-+-+-A1A2N1N2UiSa1Sa2Sb1Sb2UoUo2C1C2GSaSb外時(shí)

25、鐘輸入時(shí)鐘輸出內(nèi)部調(diào)制補(bǔ)償電路鉗位電路2.斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器ICL7650。8/20/202255Sa和Sb輪換接通，N1是主放，N2是調(diào)零放大器A1和A2端是第三輸入端，作用與運(yùn)放的同相或反相輸入端相同。輸出鉗位電路是為了防止過(guò)載，使放大器產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。內(nèi)部調(diào)制補(bǔ)償是整個(gè)放大器頻響的補(bǔ)償路，使放大器有較寬相位裕度和較寬頻響特性。工作原理8/20/202256Sa1和Sa2閉合,Sb1和Sb2斷開,N2兩輸入端短接,輸入只有失調(diào)電壓Uos2和共模信號(hào)Uc,其輸出由C2寄存UO2=K21+K21+K2UOS2+KC2UCUOS2+K2K2KC2K2UC=UC2當(dāng)時(shí)鐘為高電平時(shí),為誤差檢測(cè)和誤

26、差寄存階段UO2=K2UOS2+KC2UC-K2UO2（C為共模）8/20/202257當(dāng)時(shí)鐘為低電平時(shí),為校零和放大階段Sa1和Sa2斷開,Sb1和Sb2閉合,輸入U(xiǎn)i同時(shí)作用于N1和N2輸入端,N2的輸入信號(hào)有Ui、Uos2和Uc，側(cè)向輸入U(xiǎn)c2UO2=K2（Ui+UOS2）+KC2UC-K2UC2=K2（Ui+UOS2）+KC2UC-K2UC2 -K2(K2UOS2+KC2UC)/K2 =K2UiN2的輸出為:N2的失調(diào)電壓UOS2和共模電壓UC在時(shí)鐘的另半周被消除,達(dá)到穩(wěn)定零點(diǎn)目的同時(shí), UO2由C1寄存,且輸給N1的側(cè)向輸入端A1進(jìn)行放大UO=K1(Ui+UOS1)+KC1UC+K1

27、UO2 =(K1+K1K2)Ui+K1UOS1+KC1UC8/20/202258一般設(shè)計(jì)為K1K1，K21，則整個(gè)放大器的開環(huán)增益近似為K1K2K1UOS1為失調(diào)電壓產(chǎn)生的誤差,等效為整個(gè)放大器的輸入失調(diào)電壓UOS:UOS=K1UOS1K1+K1K2UOS11+K2UOS1K2相當(dāng)于把UOS1縮小K2倍UOS可小于1v同樣,共模信號(hào)誤差項(xiàng)KC1UC相當(dāng)于輸入端的共模誤差電壓UC為:UC=KC1UCK1+K1K2KC1UCK1K2=UCK2CMRR1即 CMRR=K2CMRR1整個(gè)集成運(yùn)算放大器的CMRR比N1的提高了K2倍UO=K1(Ui+UOS1)+KC1UC+K1UO2 =(K1+K1K2

28、)Ui+K1UOS1+KC1UC8/20/202259問(wèn)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(diǎn)？8/20/202260問(wèn)題的提出在大多數(shù)情況下，來(lái)自傳感器的信號(hào)都伴隨有很大的共模電壓，由長(zhǎng)線電阻引起，要求放大器具有高的共模抑制能力，所以放大器要特別講究，例如直流電橋的不平衡輸出電壓，就包含有較大的共模電壓。四、高共模抑制比放大電路8/20/202261什么是高共模抑制比放大電路？用來(lái)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。應(yīng)用于何種場(chǎng)合？應(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB的場(chǎng)合，例如人體

29、心電測(cè)量。8/20/2022621.反相串聯(lián)型Uo=R2R1R4R6Ui1-R5R6Ui2若R2/R1=R4/R5 Ui1= Ui2 時(shí) 則 輸出為零,很好地抑制了共模信號(hào)此電路要R2/R1=R4/R5 一般取R1=R5,R2=R4 此電路的缺點(diǎn)是入抗低（一）雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路-+-+A1A2R1R2R3=R1R2R4R5R6R7=R4R5R6Ui1Ui2Uo。8/20/2022632.同相串聯(lián)型UO1=(1+R1R2)Ui1Uo1-Ui2R3=Ui2-UOR4則UO=(1+R3R4)Ui2-(1+R1R2)Ui1R3R4共模電壓Uic=(Ui1+Ui2)/2差模電壓Uid=Ui2-U

30、i1UO=(1-R3R4)UiC+1/2(1+R32R4+)UidR3R4R1R2R1R2若R3R4R1R2=RRf則上式第一項(xiàng)為零,較好抑制了共模信號(hào)差模增益:Kd=(1+Rf/R)本電路的特點(diǎn)是輸入阻抗高+-A2A1R1R2R3R4Ui2Ui1UOUO1。8/20/202264A1、A2入抗一致，共模抑制比和增益一致，都為同相輸入，A3為雙入單出（二）三運(yùn)放高共模抑制比放大電路IR=UO2-Ui2R2=Ui1-UO1R1Ui2-Ui1RP得：UO1= （1+R1RP）Ui1-R1RPUi2UO2= （1+R2RP）Ui2-R2RPUi1=+-+-R1R2RPR3R4R5R6R7R8RP1I

31、RA1A2A3UO1UO2UOUi1Ui2。8/20/202265差模增益Kd=-UO1UO2Ui2-Ui1=1+R1+R2RP即：在A1A2性能一致，第一級(jí)的差動(dòng)輸出只與差模輸入電壓有關(guān)，無(wú)共模輸出整個(gè)放大器的輸出：UO=UO2R6R6+R41+R5/R3-UO1R5/R3第一級(jí)輸出UO2-UO1=（1+R1+R2RP）（Ui2-Ui1）8/20/202266為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移，由上下對(duì)稱原則，選取R1=R2，R3=R4，R5=R6整個(gè)放大器的輸出：RPUO=（UO2R5/R3-UO1）=-（1+2R1）（Ui1-Ui2）R5/R3第一級(jí)的共模抑制比：主要取決于二運(yùn)放本身

32、即與各運(yùn)放本身的CMRR成正比,與其差值成反比第二級(jí)的電阻不匹配引起共模增益：CMRR=CMRR1CMRR2|CMRR1-CMRR2|KC3=R6R6+R41+R5/R3-R5/R3考慮最壞情況,配對(duì)電阻為上下偏差時(shí)：CMRRR=Kd3/KC3 1+Kd3/4CMRR=CMRRRCMRR3CMRRR+CMRR3第二級(jí)共模抑制比為：整個(gè)放大器：CMRR=KdCMRRCMRRKdCMRR+CMRR第二級(jí)差模增益8/20/202267結(jié)論：為了獲得高的共模抑制能力，A1和A2要對(duì) 稱，漂移要??；A3的共模抑制比要高，R3 和R4，R5和R6要配對(duì)，精度要在0.1%以內(nèi)R7、R8和RP可補(bǔ)償電阻的不對(duì)

33、稱+-+-R1R2RPR3R4R5R6R7R8RP1IRA1A2A3UO1UO2UOUi1Ui2。8/20/202268五.電橋放大電路何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。應(yīng)用于何種場(chǎng)合？應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號(hào)，并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步放大，或由傳感器和運(yùn)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(hào)。8/20/202269(一)單端輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Aa) 反相輸入R+RR2R1uoRRRu-+Ab) 同相輸

34、入8/20/202270電橋電源浮置，電源在R1和R2不產(chǎn)生電流，a點(diǎn)為虛地：R1 uo /（ R1+R2）= -Z4/（Z2+Z4）- Z3/（Z1+Z3）u若Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+)uo=（1+R2/R1）Z2Z3-Z1Z4（Z1+Z3)(Z2+Z4）u則Uo=(1+R2/R1)u 41+(/2)非線性同相輸入也可推出類似結(jié)果特點(diǎn)：1.放大倍數(shù)與橋路電阻無(wú)關(guān) 調(diào)整增益方便 2.電源浮置,不太方便8/20/202271(二)差動(dòng)輸入電橋放大電路Ub =U R(1+)R+ R(1+)= U(1+)/(2+)虛短：Ua = UbUo = （1+2R1R）1+（/2）U4特點(diǎn)：1.非

35、線性2.A的共模抑制比要高3.放大倍數(shù)與橋路電阻有關(guān)4.R與R1的溫度系數(shù)要一致 由線性疊加：Ua = Uo 2R2RR1 +2u=Uo RR+2 R1+2uub-+ARR(1+)RRR1R2uuoua。8/20/202272(三)線性電橋放大電路Ua = (Uo U)R1/(R2 + R1) + U = ( Uo R1 + UR2)/(R2 + R1)Ub = UR3/(R1+R3)Uo = (1 +R2R1)(R3R1+ R3)-R2R1U= R3-R2R1+R3U= -R UR1 + RR3 = R輸出與傳感器電阻相對(duì)變化率成線性關(guān)系,電路量程大，但靈敏度較低。由虛短：Ua=Ub。R2=

36、R(1+)R1R1+-uR3UaUbUo。8/20/202273二節(jié) 線性化放大電路線性化電路是一種增益不是常數(shù)，而與輸入成某種函數(shù)關(guān)系的特殊放大電路，非線性特性有的可用明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，但在測(cè)量技術(shù)中一般是任意的特殊函數(shù)，比如要測(cè)量某一非電量，其傳感器輸出的模擬電壓對(duì)被測(cè)物理量成非線性關(guān)系，但我們要求模擬電壓對(duì)被測(cè)參數(shù)的關(guān)系為線性，這就要增加一個(gè)所謂的“線性化電路”方法硬件（在放大環(huán)節(jié)）軟件折線近似法串聯(lián)線性化電路反饋線性化電路多項(xiàng)式近似法函數(shù)計(jì)算法查表法串聯(lián)線性化電路反饋線性化電路8/20/202274一.折線近似法線性化電路(一)折線串聯(lián)(原理)xUoU1U2 串聯(lián)法的特點(diǎn):線性化電

37、路的特性是傳感器特性的反函數(shù),傳感器若漸增,電路要漸減 分段越多,線性化精度越高傳 感 器測(cè)量放大電路線性化電路XU2U1Uo8/20/202275(一)折線串聯(lián)(漸減)漸減特性：R1/r1R2/r2R3/r3(1) 當(dāng)Vi（R1/r1）VR 時(shí)，D1、D2都不導(dǎo)通，Vo=(R3/R3)Vi ,tg1=R3/R3(2)當(dāng)（R1/r1）VR Vi (R2/r2)VR時(shí)，D1導(dǎo)通(D1截止), D2截止(D2導(dǎo)通) V1=R1/R1 Vi-(R1/r1)VR Vo=(R3/R3)Vi- (R1/R1)(R3/R1) Vi-(R1/r1)VR tg2=R3/R3- (R1/R1)(R3/R1)(3)

38、當(dāng)Vi (R2/r2)VR時(shí),D1、D2都導(dǎo)通(D1 D2截止) V1=R1/R1 Vi-(R1/r1)VR ,V2=R2/R2 Vi-(R2/r2)VR Vo=(R3/R3)Vi- (R1/R1)(R3/R1) Vi-(R1/r1)VR -(R2/R2)(R3/R2 Vi-(R2/r2)VR tg3=R3/R3- (R1/R1)(R3/R1)- (R2/R2)(R3/R2)各折點(diǎn)電壓取決于R1/r1，R2/r2等的比值，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的斜率可調(diào)整R”1，R”2和R3的值。第一種情況時(shí)，D1、D2都導(dǎo)通，使運(yùn)放仍處于閉環(huán)工作狀態(tài)uiR0R0R1R3R3R1-+-+-+-+D1D1D2D2r1r2R2R

39、2R2R1R1R2uououiuRA1A0A2A3V1V2R2R1123ui在u1、u2處產(chǎn)生正電壓UR產(chǎn)生負(fù)電壓8/20/202276(一)折線串聯(lián)(漸增)tg1=R3/R3本電路為漸增特性,經(jīng)分析其斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓為:tg2=R3/R3+ (R1/R1)(R3/R1)tg3=R3/R3+(R1/R1)(R3/R1)+(R2/R2)(R3/R2)Vi1=(R1/r1)VRVi2=(R2/r2)VRVoViR0R0R1R3R3R1-+-+-+-+D1D1D2D2r1r2R2R2R2R1R1R2UoUi-VRA1A0A2A3V1V2R2R18/20/202277一.折線近似法線性化電路(二)折線反饋(原理)傳感器放大器非線性反饋xf(x)+-UoUifUfU反饋網(wǎng)絡(luò)的特性要和傳感器的特性相同8/20/202278(二)折線反饋(電路)S1S2S3S4UOf1UOf2UOf3UOf4Uif1Uif2Uif