现代电子技术及应用-2014-第二章放大电路

1、1 现代电子技术及应用现代电子技术及应用 马牧马牧燕，燕，吕勇吕勇 2014年年 第一次实验情况第一次实验情况 2 3 第二章第二章信号放大电路信号放大电路 n放大电路基本知识放大电路基本知识 n集成运算放大器集成运算放大器 n专用（传感）信号放大器专用（传感）信号放大器 n（一）仪表放大器 n（二）隔离放大器 n（三）可变增益放大器 n（四）电桥放大器 n（五）传感放大器 n（六）低漂移放大器 n（七）宽带高速放大器 4 放大电路基本知识放大电路基本知识 n类型：类型： 电压、电流、互阻、互导电压、电流、互阻、互导 n性能指标：性能指标： 输入电阻输入电阻/输出电阻、增益、频率响应及带宽、非

2、线性失真输出电阻、增益、频率响应及带宽、非线性失真 n负反馈负反馈 （1927年，贝尔实验室，年，贝尔实验室，Harold Black，渡船，渡船） n概念（深度负反馈） n影响： 1.改善失真（线性（扩展带宽）/非线性） 2.降低灵敏度（提高稳定性） 3.改变输入输出阻抗 4.不能提高信噪比 n四种负反馈（书） 5 集成运算放大器集成运算放大器 电子电路的基本器件！电子电路的基本器件！ n60年代初，仙童（年代初，仙童（Fairchild)，741，工业标准，工业标准 n性能优异性能优异 n近似理想特性，如电压增益高（80-140dB） n实现信号源、放大器和负载的直接耦合连接 n输入零电平

3、输出也是零电平 n低频响应扩展到直流 n工艺（双极型、工艺（双极型、MOS、BiMOS等）等） n通用通用/专用专用 6 u u u 电压放大级 输出级 偏置电路 uo + 差动输入级 u u- 集成运算放大器总体结构集成运算放大器总体结构 u- u+ uo国际符号：国际符号： 7 通用型集成运放通用型集成运放741 LARGE INPUT VOLTAGE RANGE . NO LATCH-UP . HIGH GAIN . SHORT-CIRCUIT PROTECTION . NO FREQUENCY COMPENSATION REQUIRED The UA741is a high perfo

4、rmance monolithic operational amplifier constructed on a single silicon chip. It is intented for a wide range of analog applications. (.Summing amplifier .Voltage follower .Integrator .Active filter .Function generator) The high gain and wide range of operating voltages provide superior performances

5、 in integrator, summing amplifier and general feedback applications. The internal compensation network (6dB/octave)insures stability in closed loop circuits. 8 17 _ 1 T REF p 22 T 8 T T 2 14 5 R 3 T R 9 6 30pF 10 I T 7 21 T T 9 T 6 C 19 T 8 7 T 1 T 13 CC T R R T 4 12 T 2 20 R R R R R 6 8 T 10 11 1 T

6、 R 4 16 EE + T T 15 9 2 T 3 4 T 23 T R +V 3 18 7 -V +V 5 24 O T 5 39k T A B 偏置电路输入级中间级输出级 电路图电路图 9 1. 偏置电路：偏置电路： T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流： 5 1BE112BEEECC REF )( R UUVV I 其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。 T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象电流源为差组成的镜象电流源为差 动输入级提供偏置电流。动输入级提供偏置电流。 T12

7、和和T13管构成多支路电流源。管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集管是多集电极三极管，其集 电极电流的大小比例为电极电流的大小比例为1:3。B路作为中间级的有源负载。路作为中间级的有源负载。A路为路为 输出级提供偏置。输出级提供偏置。 电路分析电路分析1 10 2. 输入级：输入级： T1 、T2和和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。 其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输管，发射结反向击穿电压高，可使输 入差模信号达到入

8、差模信号达到30V以上。以上。 T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用的镜组成具有基极补偿作用的镜 象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级 的增益。的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。 电路分析电路分析2 11 3. 中间级：中间级： T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T 13B 作这一级的集作这一级的集 电级有源负载。电级有源负载。 T14和和T20管组成互补对称输出级，恒压源电路管组成互补对称输出级，恒压源

9、电路T18、T19和和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和和 R9保护保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不致管在负向电流过大时不致 烧坏。烧坏。 4. 输出级：输出级： 电路分析电路分析3 12 电路分析电路分析4 n频响校正电容频响校正电容: n唯一，30pF n消除自激振荡 n输入失调调零电位器：输入失调调零电位器： n20K n微调T5、T6发射极电流，使运放输入0，输出0 n一般不接（破坏平衡、热平衡特性差 增加温漂） 13

10、1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即 为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路 对称性的指标。对称性的指标。 2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量 与温度变化量之比值。与温度变化量之比值。 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1 14 4.输入失调电流输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表在零输入时

11、，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表 征差分级输入电流不对称的程度。征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于 衡量差分放大对管输入电流的大小。衡量差分放大对管输入电流的大小。 2B1BIB 2 1 III 2B1BIO III 5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温 度变化量之比值。度变化量之比值。 主要参数主要参数2 15 6.最大

12、差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差差 分管将出现反向击穿现象。分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共 模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模 抑制能力。抑制能力。 主要参数主要参数3 16 主要参数主要参数4 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时

13、的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。 一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。 9.差模输入电阻差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达欧姆，场效应管输入级可达109 欧姆以上。欧姆以上。 10.共模抑制比共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。 UU U A o od 17 12.全功率全功率带宽带宽 FBPW ： 运放的闭环电压增益为运放的闭环电压增益为1，输入

14、正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真，输入正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真 等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受SR限制限制 。 11.转换速率转换速率S R (压摆率压摆率)： 额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化 的输入信号的响应能力。普通为的输入信号的响应能力。普通为1V/us。 主要参数主要参数5 13.建立时间建立时间ts： 闭环增益闭环增益1，一定负载，阶跃输入信号，运放输，一定负载，阶跃输入信号

15、，运放输 出电压达到特定值范围出电压达到特定值范围 所需时间所需时间。 14.等效输入噪声电压等效输入噪声电压UN： 普通输入噪声电压有效值为普通输入噪声电压有效值为1020uV。 18 主要参数主要参数6 15.15.开环带宽开环带宽 SWSW ： 开环增益从直流增益下降开环增益从直流增益下降3dB所对应的信号频率所对应的信号频率 16.单位增益带宽单位增益带宽GB ： 闭环增益为闭环增益为1，正弦小信号驱动，闭环增益下降，正弦小信号驱动，闭环增益下降3dB所对应所对应 的信号频率的信号频率 17. 增益带宽乘积增益带宽乘积GBW ： GBP=Afb 通常为定值。通常为定值。(同相同相741

16、为为1MHz) 开环开环-闭环闭环 19 运放分析基础运放分析基础 n理想运算放大器理想运算放大器 n理想参数（Ao、 、 rid 、 BW- )( Ib 、 、 rod -0） n虚短/虚断 n运放的基本连接（运放的基本连接（书书p62-p64） n同相放大器（跟随器） n反向放大器 n差动放大器 n? n电源？ n电流？ n输出电压？ 20 例题例题 n设设 ， ， ，A741为例，为例， V/V， ， ，则同相放大电路，则同相放大电路 n理想输出电压？理想输出电压？ n实际输出电压？实际输出电压？ n输入阻抗输出阻抗？输入阻抗输出阻抗？ V1 i u K2 1 R K18 2 R2000

17、00 od A M2 i r 75 o r i od o u ARRR R u / )/1 (1 1 )1 ( 121 2 21 n输入串联输入串联/并联反馈并联反馈会增加会增加/减小输入电阻减小输入电阻 n输出串联（电流）输出串联（电流）/并联（电压）反馈并联（电压）反馈会增加会增加/减减 小输出电阻小输出电阻 n跟随器跟随器 n反向反向 n差动差动 n仪表仪表 n列表总结集成运算放大器的反向、同相、差动输列表总结集成运算放大器的反向、同相、差动输 入（入（直流和交流直流和交流）的特性。）的特性。 22 集成运放使用注意集成运放使用注意 n加电源（怎么加？）加电源（怎么加？） n有电流有电流

18、正负电源间（静态电源电流），正负电源间（静态电源电流），mA ； 输出与负电源间输出与负电源间 n功耗，功耗，mW n静态限制：输入偏置电流静态限制：输入偏置电流/输入失调电流；输入输入失调电流；输入 失调电压；失调电压； n输入电压范围；输出饱和（输入电压范围；输出饱和（rail-to-rail） n动态限制：开环；闭环；暂态响应（上升时间动态限制：开环；闭环；暂态响应（上升时间/ 转换速率）转换速率） 23 放大器自激振荡的解决方法放大器自激振荡的解决方法 n电阻（一般小于兆欧）电阻（一般小于兆欧） n电源滤波电源滤波 n运放电源引脚加滤波电容（0.1uF，非卷绕独石电容或瓷片电容） n电

19、容紧靠电源引脚，接地点接在一起并尽可能靠近本级运放电路的参考接地 点 n特别敏感的电路（如前置放大器），供电电源单独从电源引出，并单独RC 或LC滤波。 n布线工艺布线工艺 24 n增益带宽积增益带宽积 例例:用用741设计一个增益为设计一个增益为60dB的音频放大器的音频放大器. 音频音频:20k 增益增益1000 GWP=? n扩频带，两级同向放大级联扩频带，两级同向放大级联 n实验？实验？ 25 （一）仪表放大器（一）仪表放大器 n应用应用 n信号源内阻变化 n输入信号有强共模成分（工频干扰等） n数据采集系统、电桥、热电偶、生物探针及温度传感器的放大 电路 n特性特性 n高输入阻抗10

20、10 n高共模抑制比 n增益调节方便 n精度高、稳定性好 26 仪表放大器仪表放大器 n原理原理 n要求要求 A1=A2 4个个R相等相等 G=1+50Kg/Rg 2/ 2 )( 2 1 ()( 1212 21 3 5 0 rr rr vv R R vv R RRR R R v ic id ii g ii g g 27 仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意1 n输入偏置输入偏置 n（a）高源电阻（石英话筒、水下超声探测器等） n（b）低源电阻（热电偶等） n（c）对称结构 28 仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意2 n有源信号屏蔽（输入信号保护）有源信号屏蔽（输入信号保护）(双线，交流传输双

21、线，交流传输) n高输入阻抗，分布电容 n提高共模抑制比 AD620，IN128，IN114 29 仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意3 +15V -15V 24K 24K 100K VREF VO V2 V1R2 R1 RG R1 R2 R3 R3 A1 A2 A3 A4 输出偏置输出偏置 30 仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意3（续）（续） 31 （二）隔离放大器（二）隔离放大器 n输入输出隔离输入输出隔离 n高共模电压叠加微弱传感器信号高共模电压叠加微弱传感器信号 n接地不良 n耦合（大分布电容、浮地、对地高阻抗，） n长导线耦合工频 n地线（参考点）存在电位差，地线环流！地线（参

22、考点）存在电位差，地线环流！ 隔离放大器隔离放大器 1. 输入差分源对地阻抗高 2. 传输线长或与工频电源线近距离平行 3. 为了安全，两设备必须分别接地 4. 传感器与强带电体直接接触或绝缘强度不高 5. 被测对象很弱（病人、活细胞等） 32 隔离放大器隔离放大器 n隔离放大器抵御高共模电压原理隔离放大器抵御高共模电压原理 33 隔离放大器隔离放大器2 n隔离放大器抑制地线环流原理隔离放大器抑制地线环流原理 34 隔离放大器隔离放大器3 n磁耦合隔离（最磁耦合隔离（最“古老古老”，带宽窄，耐压一般），带宽窄，耐压一般） n调制与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级 n输入级内置一个

23、独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能 n输出级是对信号进行解调，滤波与放大 n内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。 n光电耦合隔离（应用广泛）光电耦合隔离（应用广泛） n光信号传送耦合，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用 n（模拟量线性和精度差）线性光耦隔离放大器件 n(开关量可靠传递)数字隔离（1）PWM的调制及解调方式（2）V/F方式 n电容耦合隔离（频率调制，先进）电容耦合隔离（频率调制，先进） n输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号 n采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以

24、有较 高的可靠性和良好的频率特性。 35 隔离放大器隔离放大器4 n性能综合对比：性能综合对比： 耦合方式耦合方式传送精度传送精度噪声滤波噪声滤波结构复杂度结构复杂度传送距离传送距离 变压器耦合变压器耦合中中需要需要高高短短 电容耦合电容耦合较好较好需要需要高高短短 线性光电耦合线性光电耦合较好较好不需要不需要中中短短 36 （三）可变增益放大器（三）可变增益放大器 n同相可变增益同相可变增益 n原理/电路 n反相可变增益反相可变增益 n原理/电路 n程控可变增益程控可变增益 n模拟开关（如4051）（精度不高） nD/A芯片（如DAC0832)（单路，频响不高） n集成电路（如AD624AD

25、624，单路) （如PGA100PGA100,多路） 37 DAC控制程控增益放大器控制程控增益放大器 256 1 15 1 utDigitalInp A VA V VVAV kIVV VD INVD OUT REFiVDOUT OUTINi 38 传感器基本概念传感器基本概念 n组成组成 n分类分类 n能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供 给能量的变化.例如:电阻应变片. （电阻、电容、电感，一般接电桥）（电阻、电容、电感，一般接电桥） n能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. （输出电压、电流、电荷，一般接放大器）（输出电压、电流、电荷

26、，一般接放大器） 敏感元件转换元件测量电路 非电量 输出电量 电量可转换为电量的非电量 39 （四）电桥放大器（四）电桥放大器 n电桥电桥 n单电桥 n双电桥 n全电桥 n桥式差分放大器桥式差分放大器 n浮地电源（电池） )2( 4)2(2 1 1 1 1 x x V x x VV sso )( 2)/1 ( 2 21 2 21 1 xxx x V xx x VV sso ),( 3 4 2 1 32411 x x x x nxxxxxVV so Z1Z2 Z4Z3 R2 R1 b a uo u - + + N a) 反相输入 R+R R2 R1 uo R RR u - + + N b) 同相

27、输入 1 2 4R Rx VskVV abo 40 n三运放仪用放大器 n线性电桥放大器线性电桥放大器 R1=R2,R3=R4,R8=R9=R11=R Rx=R(1+x), 当当(1+2R5/R)*(R1/R10)=1时时Vo=(1+2R5/R)*(Vs/2)*x U1U2U3 R1 R2 R3 1kOhm R4R5 R6 R7 R8R9 R11 R12 50% R10 Vi Vo Rx=(1+x)R 41 （五）传感放大器（五）传感放大器 n（一）电压信号放大（霍尔器件）（一）电压信号放大（霍尔器件） 例：同相放大，例：同相放大，Rs=1M，Rp开路，放大器开路，放大器K=50，Ri= 1M

28、， 放大器偏置电流放大器偏置电流1nA，求传感器输出电压，求传感器输出电压1mV时，放大器输出电压？时，放大器输出电压？ 解：1）放大器偏置电流经传感器内阻产生1nA* 1M= 1mV的电压，加在放大器的输 入端，经放大，输出50mV（零输入时输出电压）。 2）传感器的输出电压经传感器输出电阻和放大器输入电阻分压，加在放大器的 输入端，经放大，输出25mV。 3）结论：小于零点电压！所以当传感器输出阻抗高时，一定选用输入阻抗高， 偏置电流小的放大器！ 42 （五）传感放大器（五）传感放大器 n（二）电流信号放大（光敏二极管）（二）电流信号放大（光敏二极管） 光电流模式光电流模式 光电导模式光电导模式 （无霰弹噪声，精密）（减小节电容，高速）（无霰弹噪声，精密）（减小节电容，高速） U1 U2 -V V V 43 （五）传感放大器（五）传感放大器 n（三）交流电荷放大器（压电传感器）（三）交流电荷放大器（压电传感器） 灵敏度与电缆长度无关！灵敏度与电缆长度无关！ ) 1 () 1 )(1 ()1 ( )1