第二章 信号放大电路

1、第二章 信号放大电路本章重点：何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。2、对其基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。第一节 运算放大器的基本特性1、表征运放特征的参数开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压u0s输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 2、运

2、放的基本组成3、运放的等效电路第二节 典型运放1、反相放大器Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 2、反相加法器3、同相放大器Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R34、同相加法器5、交流放大器(1) 交流反相放大电路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3>C1R1(2) 同相交流放大电路C1：隔直电容R3 ：C1的放电回路 R3 必须有zi =R3 6、交流电压跟随电路同相放大电路的特例，理想的隔离器。为减小失调电流，R3= R2 7、

3、自举式高输入阻抗放大电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri i2 = i1 何谓自举电路? 自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？ 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。第三节 差动放大电路及设计1、什么是差动放大器？ 差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。差动放大器 基本电路 共模与差模输入ud= ui

4、1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1) ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分 等效电路2、稳零放大电路 三种常用电路：（1）由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路斩波稳零放大电路又称为调制式放大电路。它是利用同步调制解调，并用隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零的。其原理框图如下图所示。 解调器

5、隔直电容交流放大器隔直电容调制器方波发生器 斩波稳零放大电路原理框图输入直流或缓慢变化的信号经调制器（斩波器）调制成较高的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大，最后由解调器解调输出放大了的输入信号。由于信号在调制后与解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。为了使斩波稳零放大电路既能对微弱的直流或缓慢变换的信号进行低漂移和高精度的放大，又能在较高的频率范围内工作，可采用图2-2所示的典型斩波稳零放大电路。（2）自动调零放大电路 由图a，当N3输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失调调零状态，见图b。可推出： Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1

6、Uc1）K1 Uc1U0s1电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。可推出： Uo(R2/R1)Ui实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。电路特点：性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路；输出电压较稳定；波动小；电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟开关CD4066即可组成）；适用于毫伏级的低电平放大。（3）低漂移单片集成运算放大器a、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）什么是CAZ运算放大器？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致

7、的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。 a) N2处于自动校零状态 b) N1处于自动校零状态问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？什么场合下采用较为合适？b、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着U

8、c2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。 此时， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。问题：该电路的增益是如何提高的？该电路的输入失调电压是如何减小的？该电路的共模抑制比是如何提高的？该电路有哪些优点？3、高共模抑制比放大电路什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。 （1）双运放高共模抑制比放大电路a、反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6

9、/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，R2=R4b、同相串联结构型uo1=(1+R2/R1) ui1(uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3（2）三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1)R5 /R3 （3）有源屏蔽驱动电路什么是有源屏蔽驱动电

10、路？将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压11地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。应用于何种场合?经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。 第四节 电桥放大电路何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放