第二章-信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)課件

第二章信號(hào)放大電路知識(shí)回顧1.漂移

在理想情況下，當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，放大器輸出的直流電壓應(yīng)該為0，一般稱此為零工作點(diǎn)，簡稱零點(diǎn)。隨著溫度等因素的變化，若輸入信號(hào)為0時(shí)，放大器輸出端卻出現(xiàn)了一定的直流電壓，則該直流電壓就被稱為“零工作點(diǎn)漂移”，簡稱為“零漂”或“漂移”。

知識(shí)回顧2.差模輸入、共模輸入

差模輸入：當(dāng)差分放大電路兩輸入端加上大小相等、極性相反的信號(hào)時(shí)，稱為差模輸入方式。此時(shí)的輸入被稱為差模輸入信號(hào)；共模輸入：運(yùn)放兩輸入端加上大小相等，極性相同的信號(hào)時(shí)，稱為共模輸入方式。此時(shí)的輸入被稱為共模輸入信號(hào)。知識(shí)回顧3.共模抑制比CMRR(KCMR)

用來衡量差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大能力和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力的指標(biāo)。它定義為差模電壓增益Avd與共模電壓增益Avc之比的絕對(duì)值，或用分貝（dB）表示。知識(shí)回顧4.輸入失調(diào)電壓Uos

a.運(yùn)放不加調(diào)零，其輸入端短路并接地時(shí)，運(yùn)放所產(chǎn)生的輸出電壓折算到輸入端的電壓大??；

b.在運(yùn)放的兩輸入端外加一直流補(bǔ)償電壓，使放大器輸出端的電壓為0（或規(guī)定值），此時(shí)外加的補(bǔ)償電壓即輸入失調(diào)電壓Uos（大小相等極性相反）。

知識(shí)回顧5.輸入偏置電流IB（共模信號(hào)）

集成運(yùn)放的失調(diào)電壓被補(bǔ)償后，使其輸出電壓為0時(shí)，運(yùn)放兩輸入端所需偏流的平均值。

6.輸入失調(diào)電流Ios

集成運(yùn)放的失調(diào)電壓被補(bǔ)償后，使其輸出電壓為0時(shí)，運(yùn)放兩輸入端偏流之差的絕對(duì)值。知識(shí)回顧7.理想運(yùn)放的性能指標(biāo)

開環(huán)差模增益Avd為∞；差模輸入電阻Ri為∞；輸出電阻R0為0；共模抑制比KCMR為∞；上限截至頻率fH=∞；輸入失調(diào)電壓Uos

、輸入失調(diào)電流Ios

、溫漂均為0，且無任何內(nèi)部噪聲。一、測(cè)量放大電路

放大微弱電壓、電流、電荷信號(hào)的電路，也稱為儀用放大電路?？煞譃檎{(diào)制式、差動(dòng)直接耦合式、自動(dòng)穩(wěn)定式三大類。（一）、穩(wěn)零放大電路針對(duì)輸入為0mV到數(shù)mV的直流電壓，而抑制零漂的情況。這是因?yàn)榱闫蔀闊o法與信號(hào)分離的“誤差信號(hào)（電壓）”。當(dāng)被放大的信號(hào)為微弱的直流信號(hào)時(shí)，必須選用斬波放大器和動(dòng)態(tài)校零放大器兩種低漂移直流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。斬波穩(wěn)零放大器（調(diào)制解調(diào)型直流放大器）（1）電路工作原理

將輸入的直流信號(hào)電壓經(jīng)斬波器（調(diào)制器）轉(zhuǎn)換為交流電壓，由交流放大器放大后再經(jīng)解調(diào)器將放大后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。斬波穩(wěn)零放大器的工作原理圖如圖所示。（2）電路工作過程2、自動(dòng)調(diào)零放大電路（動(dòng)態(tài)校零放大電路）（1）設(shè)計(jì)思想和目的

將放大器的失調(diào)電壓記憶在記憶電容上，然后將它回送到放大器的輸入端，以抵消掉放大器本身的失調(diào)電壓。電路在一定頻率的方波信號(hào)控制下分兩個(gè)階段工作：第一階段為放大器的誤差檢測(cè)與寄存階段，第二階段為電路的校零與放大階段。目的：消除漂移，主要是消除失調(diào)電壓帶來的漂移。

（2）電路的工作原理∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2b)誤差保持UoC1UiR1R2K1-++N1c)調(diào)零放大輸出3、輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器（CAZ）

(1)思想：CAZ運(yùn)算放大器是輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器的簡稱，它通過模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部兩個(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)。若N1進(jìn)行信號(hào)放大，則N2進(jìn)行自動(dòng)校零，反之亦然。（2）工作原理輸出C1GR2－輸入∞-++N1∞-++N2R2+輸入

a)N2處于自動(dòng)校零狀態(tài)C2C1G－輸入C2+輸入

輸出R2∞-++N1∞-++N2R2b)N1處于自動(dòng)校零狀態(tài)4、斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器（1）ICL7650簡介ICL7650是美國Intersil公司首先研制的一種CMOS單片集成動(dòng)態(tài)自校零運(yùn)算、放大器。它屬于第四代運(yùn)放，其特點(diǎn)是低失調(diào)、低漂移（≤1μV，0.01μV/℃），高增益134dB），高共模抑制比（130dB），高輸入阻抗（1012Ω）。國產(chǎn)型號(hào)為5G7650

。（2）ICL7650的工作原理電路由兩個(gè)運(yùn)放組成N1和N2，其中N1為主放大器，N2為調(diào)零放大器。兩個(gè)運(yùn)放都有第3輸入端—側(cè)向輸入端。4個(gè)模擬開關(guān)Sa1、Sa2、Sb1、Sb2由內(nèi)部或外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。第一階段：誤差檢測(cè)和寄存階段，此時(shí)Sa1、Sa2閉合，Sb1、Sb2斷開；ICL7650電路圖內(nèi)部調(diào)制補(bǔ)償電路箝位電路外時(shí)鐘輸入GSaSb時(shí)鐘輸出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2∞+-+N1∞+-+N2+-第一階段：誤差檢測(cè)和寄存階段，此時(shí)Sa1、Sa2閉合，Sb1、Sb2斷開

第二階段：Sa1、Sa2斷開，Sb1、Sb2閉合（3）ICL7650的誤差等效（4）ICL7650的使用

ICL7650有兩種封裝形式，14腳DIP封裝和8腳圓形金屬管殼封裝。下面是它的14腳DIP封裝的引腳圖：

1—7：C1、C2、保護(hù)、+IN、-IN、保護(hù)、-US；

8-14：C+、鉗位輸出、U0、+US、內(nèi)時(shí)鐘輸出、外時(shí)鐘輸入、GND（5）ICL7650的補(bǔ)充說明它的內(nèi)部調(diào)制補(bǔ)償電路是整個(gè)放大器頻響的補(bǔ)償電路，使放大器具有較寬的相位裕度和較寬的頻響特性，鉗位電路一旦出現(xiàn)過載，電路能有效的防止阻塞。

ICL7650是一種低壓CMOS器件，電源電壓的典型值為(雙電源)。兩個(gè)記憶電容C1、C2需外接，均為0.1微法，一般宜采用漏電流較小的高質(zhì)量電容器。

可利用ICL7650組成各種閉環(huán)放大電路，如同相、反相放大器，測(cè)量放大器，電橋放大器等等。由于ICL7650具有高精度、低漂移、高輸入阻抗等特點(diǎn)，故可利用它構(gòu)成微弱信號(hào)的前置放大器。（二）、高輸入阻抗放大電路---

自舉式高輸入阻抗放大電路

適用場(chǎng)合：由于有的傳感器（電容式、電感式等）的輸出阻抗很高，要與之匹配，則要求放大電路具有高輸入阻抗。即該電路適合于與傳感器高輸出阻抗相匹配而提高放大器輸入阻抗的情況。

（一）、思想在主放大器的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輔助放大器，用它提供的補(bǔ)償電流去減少主放大器從信號(hào)源吸取的電流，便可大幅度提高放大器的等效輸入阻抗。這是利用自舉原理提高輸入阻抗的基本思想。如果不用這種方法提高輸入阻抗，而是進(jìn)一步加大輸入端的阻抗，則由失調(diào)電流引起的漂移將隨之增加。

（二）、3種常用的自舉電路1、同相交流放大電路（圖a）U1+-U0KU1+-Ri運(yùn)放的等效模型U0KU1+-R3UiRR2+U2-U1+_Ii2、交流電壓跟隨器放大電路（圖b）U0KU1+-RiR3R1R2Ui-U1+3、自舉組合放大電路（圖c）（三）、高共模抑制比放大電路

適合于傳感器的輸出帶有很大的共模電壓（包括干擾電壓）而抵消或抑制這種干擾的情況。

1、反相串聯(lián)型雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路（圖a）當(dāng)時(shí)，Kc=0

共模抑制比CMRR的求法運(yùn)放放大電路的共模抑制比CMRR與兩個(gè)因素有關(guān)：一是運(yùn)放自己的共模抑制比；二是電路中電阻的匹配精度δ，δ越小，電路的共模誤差越小。2、同相串聯(lián)型雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路（圖b）3、三運(yùn)放高共模抑制比放大電路(c)輸入級(jí)的差模增益

輸出級(jí)電路的輸出當(dāng)R3=R4,R5=R6時(shí)，整個(gè)電路的：

有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)際應(yīng)用中，傳感器與放大電路之間通常有一段距離，為了減少外部對(duì)輸入端引起的干擾和保證不因漏電流引起輸入阻抗的降低，一般對(duì)輸入引線采用屏蔽電纜加以保護(hù)。電纜的屏蔽層若直接接地，則電纜芯線與屏蔽間的電容C1、C2以及傳感器內(nèi)阻RS1RS2形成兩個(gè)積分電路，如圖示：有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路

屏蔽方法

（四）、電荷放大電路（一）、應(yīng)用電荷放大電路的必要性目前在力、加速度、振動(dòng)、沖擊等測(cè)量中廣泛應(yīng)用壓電式傳感器，該傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電荷輸出的傳感器。為了將傳感器的電荷輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯托栌秒姾煞糯笃?。該放大器的主要特點(diǎn)是它與壓電晶體傳感器連接后不影響所產(chǎn)生的電荷量，且測(cè)量靈敏度與電纜長度無關(guān)。而電纜長度為遠(yuǎn)距離測(cè)量提供了方便。

（二）、壓電式傳感器壓電式傳感器可以用一個(gè)與電容Ck、電阻Rk相并聯(lián)的電荷源來等效，其中Rk為壓電元件的漏電阻。（三）、電荷放大電路的工作原理

R、C--反饋電阻、電容；Rk---傳感器泄露電阻Ck-----傳感器電容與電纜電容Cc的等效電容；Ci-----運(yùn)放的輸入電容；Ri-------運(yùn)放的輸入電阻。為了求出電荷放大器的輸出U0和輸入電荷量Q之間的關(guān)系，先將R和C等效到運(yùn)放的輸入端，這樣1/R和C均會(huì)增大（1+K）倍（將這種效應(yīng)稱為“密勒效應(yīng)”）二、增益調(diào)整與切換以及線性化電路（一）、增益調(diào)整電路1、手動(dòng)增益調(diào)整電路電路如書圖2-19所示。由“虛斷”、“虛短”可知，只要手動(dòng)調(diào)整Rp的大小，就可以改變整個(gè)電路的增益。2、自動(dòng)增益調(diào)整電路a圖

R4uo控制信號(hào)uiV－＋NR2R1R3AB（二）、可編程增益放大電路通用運(yùn)放可編程增益放大電路圖a中，模擬開關(guān)采用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。

ABCD反饋電阻增益?zhèn)渥?111R1=10K,Rf=1M1000111R1=10K,Rf=1M并聯(lián)1M501011R1=10K,Rf=1M//110K101101R1=10K,Rf=1M//20.4K21110R1=10K,Rf=1M//10.1K1數(shù)字式可編程增益放大電路附：CD4051模擬開關(guān)知識(shí)----8通道模擬開關(guān)（數(shù)字控制的8選1模擬開關(guān)）是一個(gè)16腳DIP封裝。

1—8：I/O4、I/O6、O/I、I/O7、I/O5、INH、VEE、VSS9—16：A2、A1、A0、I/O3、I/O0、I/O1、I/O2、VDD數(shù)字式可編程增益放大電路INHA2A1A0導(dǎo)通通道000000010010001111任意無導(dǎo)通通道圖a電路

ABCD增益?zhèn)渥?111A導(dǎo)通，其它斷開1011B導(dǎo)通，其它斷開1101C導(dǎo)通，其它斷開1110D導(dǎo)通，其它斷開圖b電路

接通的開關(guān)R1R2KfA通8R01AB通4R4R2BC通2R6R4CD通R7R8D故：電路的

集成可編程增益放大器三、隔離放大電路在某些情況下，輸入電路與輸出電路之間以及放大電路與電源電路之間不能有直接的電路連接，信號(hào)的耦合以及電源電能的傳遞要靠磁路或光路來實(shí)現(xiàn)。放大器內(nèi)部采取這種隔離措施的叫隔離放大器。它不僅具有通用運(yùn)放的性能，且輸入公共地與輸出公共地之間有良好的絕緣性能。三、隔離放大電路當(dāng)信號(hào)回路具有很大的共模電壓（數(shù)百伏以至數(shù)千伏），而要求電路仍能正常工作和安全使用，這時(shí)就要用到該種放大器（如不平衡電橋的輸出就會(huì)有很高的共模干擾電壓存在）。普通的差動(dòng)放大器和測(cè)量放大器雖然也能抑制共模干擾，但卻不允許共模電壓高于放大器的電源電壓（正負(fù)15伏左右）。而隔離放大器不僅有很強(qiáng)的共模抑制能力，而且還能承受上千伏的共模電壓。（一）、隔離放大電路的基本組成由輸入放大器、輸出放大器、隔離器（信號(hào)耦合器件），以及隔離電源組成。（二）、隔離放大電路的基本原理1、變壓器耦合2、光電耦合干擾為尖脈沖，時(shí)間短，一般不足以使得輸出OUT隨輸入IN的尖脈沖變化而變化，即干擾信號(hào)不會(huì)通過。而有用信號(hào)都不是尖脈沖，故足以使光電耦合器反應(yīng)。

（三）、通用隔離放大電路1、AD277變壓器耦合隔離放大器2、互補(bǔ)式光電耦合隔離放大電路（四）、程控增益隔離放大電路附：模擬開關(guān)CD4053—模擬三組2通道多路開關(guān)，16腳的DIP封裝。

1---8：2(I/O)1、2(I/O)0、3(I/O)