信号放大电路

1、2021-12-14 2. 信号放大电路任小洪 主讲四川理工学院 自动化与电子信息学院人 工 智 能 四 川 省 重 点 实 验 室电 子 邮 件： 2-0 信号放大电路概述信号放大电路概述何谓测量放大电路？何谓测量放大电路？ 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测量放大电路。 测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。测量放大器测量放大器测量放大器测量放大器是一种带有精密差动电压增益的是一种带有精密差动电压增益的器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共

2、模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中，定增益等特点，在检测微弱信号的系统中，被广泛用作前置放大器。被广泛用作前置放大器。 通用运算放大器，一般具有毫伏级的通用运算放大器，一般具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，不能用失调电压和每度数微伏的温漂，不能用来放大微弱信号。来放大微弱信号。 在数据采集中在数据采集中, , 经常会遇到一些微弱的微伏级信号，经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器+ +- -同

3、向输入同向输入反向输入反向输入输出输出第一个使用真空管设第一个使用真空管设计的放大器大约在计的放大器大约在19301930年前后完成，这年前后完成，这个放大器可以执行加个放大器可以执行加与减的工作。与减的工作。 6060年代年代晚期，仙童半导体推晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使出了第一个被广泛使用的集成电路运算放用的集成电路运算放大器，型号为大器，型号为: :A709A709. . A709A709很快地被随后而来的新产品很快地被随后而来的新产品 A741A741取取代，代，741741有着更好的性能，更为稳定，也更容有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。易使用。741741运算放大器成

4、了微电子工业发展运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产造商至今仍然在生产741741。 从灵和安全可靠出发，还需要： 可调闭环增益放大电路； 参量放大电路； 电荷放大电路； 隔离放大电路。也有利于提高精度。还需要考虑低成本。测量放大电路结构形式： 由传感器的类型决定。 电阻应变式-电桥放大电路 光电池、光敏电阻微电流放大电路 测量放大电路频带宽度： 由被测参数的频率范围和载波频率决定：直流1011Hz信号放大电路基本要求信号放大电路基本

5、要求： 低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； 高共模输入范围和高共模抑制比； 一定的放大倍数和稳定的增益； 线性好； 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 足够的带宽和转换速率。以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。2021-12-14信号放大电路主要内容信号放大电路主要内容 测量放大电路的主要误差源 高共模抑制比放大电路 高输入阻抗放大电路 低漂移放大电路 电桥放大电路 隔离放大电路 电荷放大电路 增益可控放大电路2021-12-142.1 2.1 测量放大电路的主要误差源及其补偿测量放大电路的主要误差源及其补偿 序号序号 参数名称参数名称 理想值理想值 实际值实际值

6、1 1 差模增益差模增益 90 90100dB100dB以上以上 2 2 共模增益共模增益 0 0dB0 0dB以上以上 3 3 输入阻抗输入阻抗 100k100k数兆欧数兆欧 4 4 输出阻抗输出阻抗 0 100 10数百欧数百欧 5 5 带带 宽宽 0 0 0 010Hz10Hz（或（或 0 010kHz10kHz） 6 6 动态范围动态范围 0 0供电电压供电电压 有限部分有限部分 7 7 输入失调电压输入失调电压 0 0 纳伏至毫伏纳伏至毫伏 8 8 输入失调电流输入失调电流 0 0 皮安至微安皮安至微安 9 9 噪噪 声声 0 0 纳伏至微伏纳伏至微伏 表2.1 运算放大器件的主要误

7、差源运算放大器件的主要误差源运算放大器类型运算放大器类型u 通用型运算放大器：通用型运算放大器：u 高阻型运算放大器：高阻型运算放大器：u 低温漂型运算放大器：低温漂型运算放大器：u 高速型运算放大器：高速型运算放大器：u 低功耗型运算放大器：低功耗型运算放大器：u 高压大功率型运算放大器：高压大功率型运算放大器：价格低廉、产品量大面广，其性价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。能指标能适合于一般性使用。差模输入阻抗非常高，差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小。输入偏置电流非常小。 失调电压小且不随温失调电压小且不随温度的变化而变化。度的变化而变化。 具有高的转换速率具有高的

8、转换速率和宽的频率响应。和宽的频率响应。 测量放测量放大器大器目前有的产品功耗已达目前有的产品功耗已达uWuW级。级。 不需附加任何电路不需附加任何电路, ,即可即可输出高电压和大电流输出高电压和大电流 n 最主要的误差因素：是噪声与失调、漂移。 固定的失调可以通过调整来解决。n负反馈构成闭环放大器： 可以扩大带宽和线性范围。UOP UOP ui uo 实际运放特性实际运放特性uo ui 理想运放特性理想运放特性 运算放大器的两个工作区域（状态）运算放大器的两个工作区域（状态）1. 运放的电压传输特性运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的AVO=104Ui1

9、mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。AVO越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当AVO时，线性区时，线性区0一般问题：一般问题：2.理想运算放大器：理想运算放大器：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 AV0=差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=输出电阻输出电阻 R0=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法： 虚短（虚短（U+=U-） 虚断（虚断（ii+=ii-=0）3. 线性应用线性应用4. 非

10、线性应用非线性应用运放工作在非线性区的特点：运放工作在非线性区的特点：正、负饱和输出状态正、负饱和输出状态电路中开环工作或引入正反馈！电路中开环工作或引入正反馈！几个影响运算放大器精度的参数几个影响运算放大器精度的参数u 失调电压：失调电压：当运放两输入为零时，输出端存在的当运放两输入为零时，输出端存在的 电压。电压。u 输入失调电压：输入失调电压：运放输出端电压为零时，两个输运放输出端电压为零时，两个输 入端之间所加的补偿电压。入端之间所加的补偿电压。 u 输入偏置电流：输入偏置电流：当运放的输出直流电压为零时，当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端的偏置电流平均值。其两输入端的偏置电流平

11、均值。 u 输入失调电流：输入失调电流：当运放的输出直流电压为零时，当运放的输出直流电压为零时， 其两输入端偏置电流的差值。其两输入端偏置电流的差值。u 1 1）. . 输入失调电压输入失调电压：实际运放前置级的差动放大器不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零-u0s 随时间和温度变化-零点漂移零点漂移 结论：结论：失调电压的调整很重要 2 2）. . 输入失调电流：输入失调电流：输入端直流偏置电流引起的I0s。SOuRRu012/ )/1 ( sbbobboIRIIRuRRRIRRRIRu0221222132312122/)/1 (）（取Ib1Ib2 I0s0R2越大-

12、 I0s 一般取反馈电阻：10-100k1、 输入失调及其补偿R2运算放大器的符号运算放大器的输入失调电压 输入失调电压的一种测试电路如图所示，R=R1/Rf ，可求得按上式用电压表测得输出电压Uo后，可计算出输入失调电压Uio 。测试失调电压的电路 运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的差值定义为输入失调电流。3） 输入失调电压和输入失调电流实测输入失调电压和输入失调电流实测a、 闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压U01 ，这是由输入失调电压U0S 所引起的输出电压。 b、断开K1及K2，两个输入电阻R3接入，由于R3 阻值较大，流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异

13、，因此，也会影响输出电压的大小，可见测出两个电阻R3接入时的输出电压U02 ，若从中扣除输入失调电压U0S 的影响，则输入失调电流I0S 为l减小漂移影响的主要措施减小漂移影响的主要措施（1）采用低漂移放大电路；（2）合理设计偏置电路;（R3= R1 / R2 ）（3）采用信号调制解调。 (4)采用适当的调整电路R1R24）输入失调电压和输入失调电流的调整输入失调电压和输入失调电流的调整 外部调整法：外部调整法：适用于放大器自身没有适用于放大器自身没有 调零端子调零端子 内部调整法内部调整法：有调零端：有调零端外部调整法外部调整法uoR3uiR1R2- -+ + +N1R4+15V-15V接入

14、反相端uoR3uiR1R2- -+ + +N1R4+15V-15VR5接入同相端uoR3uiR1R2- -+ + +N1+EuoR3uiR1R2- -+ + +N1-E内部调整法内部调整法uoR3uiR1R2- -+ + +N1-ER3uiR1R2- -+ + +N1-E （1）、噪声）、噪声 噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把外部噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把外部来的称为来的称为干扰干扰，把内部产生的称为，把内部产生的称为噪声噪声。（2 2）、）、 噪声种类与性质噪声种类与性质 只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密

15、度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。例如，热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。2 、噪声的基础知识l白噪声（白噪声（white noise) : 是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声. 特点：是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。 噪声的波形是随机的（幅值、相位、频率），瞬时值无法预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。l色噪声-噪声的频率固定，可以预测，而幅值、相位可能是随机的。通常接地噪声是一种色噪声。 粉红色噪声又被称做频率反比 (1/f) 噪声。 因

16、为它的能量分布与频率成反比，或者说是每一个八度音程 (Octave) 能量就衰退 3 dB。 2021-12-14式中式中 k k 玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，k k =1.38=1.381010-23-23J/KJ/K； T T 导体的绝对温度（导体的绝对温度（K K）；）； B B 测量系统的噪声带宽测量系统的噪声带宽(Hz)(Hz)； R R 导体阻抗的实部导体阻抗的实部()()。 kTRBtU4)(tl热噪声热噪声由导体中的电荷载流子的由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声热激振动引起的噪声,是一是一种白噪声种白噪声l低频噪声低频噪声与晶体管表面的状态以及与晶体管表面的状态以及PN结

17、的结的漏电流有关的噪声漏电流有关的噪声式中式中 k1 与材料有关的常量，其量纲与与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；有关； I I 工作电流工作电流( (A) )； a、b 由实验确定的常数，对各种半导体，由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.81.5，a通常为通常为1 1； f 工作频率工作频率( (Hz) )。 baffIktU12)(l散弹噪声散弹噪声 流过二极管、三极管流过二极管、三极管位垒层位垒层的载流子不是连续的载流子不是连续的，而是脉冲性质的，的，而是脉冲性质的，电流的方均值或方均根电流的方均值或方均根值不为零值不为零 式中式中 q 电子电荷，为电子电荷，为1.5910-19

18、C； IDC 直流电流直流电流(A)； B 测量系统的噪声带宽测量系统的噪声带宽 (Hz)。BqIIDCsh2l减小噪声影响的主要措施减小噪声影响的主要措施（1）采用噪声小的器件；（2）采用信号调制解调与滤波，限制通频带；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比电路。uoR2ui+-+ NR1R3l噪声系数 噪声系数是放大器输入端信噪比与输出信噪比的比值。 信噪比-信号有用功率S对噪声有效功率N的比值，用S/N表示。 噪声系数: 作用：度量放大器在放大过程中信噪比恶化程度的指标。oi(S/N)(S/N)F 声发射监测刀具破损的抗干扰技术研究说明：说明：.正常切削中3个切削变形区的塑性变形、金

19、属间摩擦及切屑断裂等产生的声发射信号.干扰噪声功率谱(S) l 噪声举例断裂说明：说明：噪声干扰的特征主要表现为随机性、周期性和时变性,是实现安全、可靠、高速PLC的主要障碍,用示波器测得电力线干扰噪声如图所示 .3、转移速率： 是指运算放大器在大幅度信号（阶跃信号）的作用下输出信号所能达到的最大变化率，单位为V/s。 SR=U/t 影响运算放大器转移速率的主要因素是放大器的高频特性和相位补偿电容。一般补偿电容越大转移速率越慢。对正弦信号而言，SR决定了放大器在高频时所能达到的最大不失真幅度Uomax maxmax2 fSRUo Rfui R1 2 7 A741 6 uo 3 4 Rp -15

20、VCH1 示波器示波器 CH2 信信号号源源（图中R1 = Rf = 10k，RP = R1 /Rf） 转移速率转移速率 U/ t可由示波器测量可由示波器测量，其中，其中 t为输出电压为输出电压Uo从最小值升到最大值所需要的时间。转移速率越大，从最小值升到最大值所需要的时间。转移速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好。说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好。ui 0 tuo t Uo t4、运放的振荡与相位补偿UiUioUfUo电流、电压反馈电流、电压反馈：将负载电阻短接，：将负载电阻短接，看反馈信号是否消失，若消失，则为看反馈信号是否消失，若消失，则为电压反馈，反之电流反馈

21、。电压反馈，反之电流反馈。XoXiXsXfAAAXXso1自激振荡自激振荡：指在没有输入信号时（：指在没有输入信号时（Ui=0)，放大电路也有输出（放大电路也有输出（Uo0），通常可以），通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。由示波器观测到输出的振荡波形。一个具有负反馈电路的放大器，只要一个具有负反馈电路的放大器，只要A产产生生180的相位差，即可能激发振荡。的相位差，即可能激发振荡。环路增益的相位环路增益的相位由于一般的由于一般的OPAOPA内部是由内部是由2323段的放大器组成，出现三个极段的放大器组成，出现三个极点的机会相当多。在高频区将产生附加相移，可能使负反馈点的机会相当多。在高频区

22、将产生附加相移，可能使负反馈变为正反馈，如反馈深度较深，即变为正反馈，如反馈深度较深，即 11，就会产生自激振荡，就会产生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。从而使运放无法稳定地工作。最基本的方法就是把最基本的方法就是把f fo1o1移到更低的频率处来工作。移到更低的频率处来工作。相位补偿：相位补偿：在反馈放大电路的适当部分加入在反馈放大电路的适当部分加入RCRC网络，以改网络，以改变变AFAF的频率响应。的频率响应。u uo oR R3 3u ui iR R1 1R R2 2- -+ + +NN1 1C C2 2防止自激振防止自激振荡的荡的C C1 1很多集成运很多集成运放都有外接放都有外接

23、相位补偿网相位补偿网络端络端精精2.3 2.3 典型测量放大电路典型测量放大电路 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。例如：电阻应变式传感器例如：电阻应变式传感器电压放大器电压放大器 光电池、光敏电阻光电池、光敏电阻电流放大器电流放大器2.3.12.3.1、测量放大电路的基本要求和类型、测量放大电路的基本要求和类型 阻抗匹配阻抗匹配 增益稳定增益稳定 低噪声漂低噪声漂 低的输入失调电压和输入失调电流、低温低的输入失调电压和输入失调电流、低温 足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）力） 高共模输入范围

24、（几百伏）和高共模抑制比高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比 可调的闭环增益可调的闭环增益 线性好、精度高线性好、精度高 成本低成本低测量放大电路测量放大电路（按结构原理按结构原理）差动直接耦合差动直接耦合式式调制式：斩波调制式：斩波稳零稳零自动稳零式：自动稳零放大自动稳零式：自动稳零放大电路电路单端输入（同相、反相单端输入（同相、反相)放大放大电路电路电桥放大电路电桥放大电路电荷放大电路电荷放大电路运算放大器在线性应用运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断时同时存在虚短和虚断0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1f11fFiofRRRiRiuuAu 为使两输入端

25、对地直流电阻相等：为使两输入端对地直流电阻相等：R2 = R1 / R f平衡电阻平衡电阻特点：特点：1.为深度电压并联负反馈，为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 12. 输入电阻较小输入电阻较小RifR ifR if = R13. uIC = 0，对对 KCMR 的要求低的要求低u+ = u- = 0虚地虚地4.若若Rf=R1 ，Auf=-1 单位增益倒相器。用于阻抗匹配或倒相。单位增益倒相器。用于阻抗匹配或倒相。2.3.2反相放大电路优点：性能稳定缺点：输入阻抗较低uoui+-+NR1R2R312fRRKR3= R1 / R2 Zi=R1Zoc=0uoR3uiR1R2-+N1C

26、2C1)RRR()RR1 (RRK5425412f、一般放大器和低通滤波器设计一体l 提高输入阻抗与提高增益之间矛盾可以采用下面电路改善：uoR3uiR1R2-+N1R4R5低端截止频率高端R2R1C1 I uuu F 1 ii ，fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu 1ff1RRAu Auf = 1跟随器跟随器当当 R1 = ，Rf = 0 时，时， 特点：特点：1. 为深度电压为深度电压串联串联负反馈，负反馈， Auf = 1 + Rf /R12. 输入电阻大输入电阻大R if = 3. ，对，对 KCMR 的要求高的要求高uIC = u iu+ = u- = uI2.3.3同相放

27、大电路ui+- NuoR1R2R312f1RRKZoc=0优点：高输入阻抗问题：易受干扰、精度低用途：前置放大阻抗变换或隔离Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K Zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR1R2+-+N1uiuoR1R2-+N1R3R4C1ui同相放大器同相放大器低频交流放大器 为得到较低的低端截止频率，避免使用过大电容，R1选用较大电阻、避免使用过大电容； 采用同相放大器，避免对高通滤波截止频率影响； 为了消除运放输入偏执电流影响，反馈采用Y形网络，是运放输入端电阻尽可能相等；取R1=R2R3、R4；Kf=1+R3/R4跟随放大

28、器R1=R2目的：消除运放输入偏执电流影响交流反相放大电路交流反相放大电路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2-+N1C1C3低频交流放大器v同相交流放大电路同相交流放大电路C1：隔直电容R3 ：C1的放电回路 R3 必须有zi =R3使同相放大器失去高输入阻抗的特点uoR3uiR1R2-+N1C1v交流电压跟随电路交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1同相放大器产品：MAX4074、MAX4075、MAX4174、MAX4274等BB公司：OPA2682、OPA36

29、82等高输入阻抗跟随器选用：OPA128（75fA）什么是差动放大器？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。 有利于抑制共模干扰和减少温度漂移。2.3.42.3.4基本差动放大电路基本差动放大电路2021-12-14uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1 i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2 i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu独立作用原理独立作用原理i243412i112o2o1

30、o1uRRRRRuRRuuu取R2/R1=R4/R3 )(i1i212ouuRRu具有共模抑制能力。 uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3 什么是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。 应用于何种场合？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。 2.3.5 2.3.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路什么是共模信号干扰？什么是共模信号干扰？ 电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做“共模”和“差模”。设备的电源线，电话等的通信线，与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路

31、，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。 干扰电压和电流分为两种：l 一种是两根导线分别做为往返线路传输： 叫“差模”，l 另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输：叫“共模”。 电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。 电源线噪声分为两大类：电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。l 共模干扰（Common-mode InteRFerence）定义为： 任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；l 差模干扰（Differential-mode Interference）定义为： 任何两个载流导

32、体之间的不希望有的电位差。什么是共模信号干扰？（什么是共模信号干扰？（Common-Mode Interference） 任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的的干扰较大。 消除共模干扰的方法包括：（1）采用屏蔽双绞线并有效接地（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽（3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线（4）不要和电控锁共用同一个电源（5）采用线性

33、稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)（6）使用差分式电路R2uoR4uid/2R1-+N1R3uid /2uicR2uoR4ui2R1-+N1R3ui1基本电路 共模与差模输入一、基本差动放大电路实际上不可能完全做到实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3 i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuiddiccid12121434ic12121434o21uKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuu共模电压增益差模电压增益1212143412121434cd21RRRR

34、RRRRRRRRRRRRKKCMRR路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。 优点：电路结构简单、利于抑制共模干扰、减少温度漂移。 缺点：输入增益较低，增益调节困难、使用受限。 电路的共模抑制比 ： （1）取决于电阻匹配精度、外接电阻很难完全匹配； （2）取决于运算放大器的CMRR （3）开环增益和输入阻抗等。 （4）电路的分布参数 集成化差动放大器具有更好性能： CMRR=80dB 典型产品：INA105/INA106/INA117 二二双运放高共模抑制比放大电路双运放高共模抑制比放大电路 CMRR=100B1、反相串联结构型反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/

35、R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0，共模信号得到抑制通常取R1=R5，R2=R4共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关但输入阻抗较低。ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2双运放高共模抑制比放大电路双运放高共模抑制比放大电路2、同相串联高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1特色：1. 同相输入、高输入阻抗；2. 对于N2仍然是差动放大电路1 i121o)1 (uRRu4o2i32i1oRuuRuu1 i34122i34o)1 ()1 (uRRRRuRRu基尔霍夫定理基尔霍夫定理i

36、d314234ic3142o)21 (21)1 (uRRRRRRuRRRRu3421RRRR取取34d1RRK424313241321121RR RRR RCMRRR RR Ruoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1增益与共模抑制比牵连增益与共模抑制比牵连三、三运放高共模抑制比放大电路三、三运放高共模抑制比放大电路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3特点：（1）N1N2性能一致( 输入阻抗、共模抑制比和增益)，构成平衡对称（同相并联）（2 ）N3双端输入、单端输出，进一步抑制N1N2的抑制共模信号。（3）适应接地负

37、载需要。为提高共模抑制比和降低温漂影响，为提高共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用对称结构：测量放大器采用对称结构：R1=R2，R3=R4，R5=R6同相输入同相输入同相输入同相输入差差分输入分输入对差模信号：对差模信号：R0 中点为交流地中点为交流地uO1 = uO2 则则 uO = 0对共模信号：对共模信号：0i12i11o1 i22i2oRuuRuuRuuIR2i011 i011o)1 (uRRuRRu1 i022i022o)1 (uRRuRRu)(1 (1 i2i0211o2ouuRRRuu电路特点：电路特点：1. 1. 输入阻抗高；输入阻抗高；2.2. 增益调整方便；增益调整方便

38、；3.3. 对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。结论结论: : (1) 输入级的差动输出及差模增益只与差模输入电压有关 , 共模输出、失调及漂移均在R0两端相互抵消; (2) 无需电阻匹配(但通常R1=R2）；(3) R0增益可调，不影响电路对称性。N3 输出：输出：uo =(uo2uo1)R5 /R30211 i2i1o2od1RRRuuuuK抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对直流共模信号：对直流共模信号： 由于由于Ui1=Ui2，所以，所以IG=0，U3=U4。 当当R3=R4，R5=R6时，时，U0=0。测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。测量放

39、大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：由于输入信号的传输线存在线阻由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容和分布电容C1、C2， Ri1C1、 Ri2C2分别对地构成回路。分别对地构成回路。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：当当Ri1C1Ri2C2时，交流共模信号在两时，交流共模信号在两运放输入端产生分压运放输入端产生分压Ui1、Ui2，且，且Ui1 Ui2，对输入信号产生干扰。，对输入信号产生干扰。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：由于输入信号的传输线存在线阻

40、由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容和分布电容C1、C2， Ri1C1、 Ri2C2分别对地构成回路。分别对地构成回路。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：当当Ri1C1Ri2C2时，交流共模信号在两时，交流共模信号在两运放输入端产生分压运放输入端产生分压Ui1、Ui2，且，且Ui1 Ui2，对输入信号产生干扰。，对输入信号产生干扰。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：对交流共模干扰的抑制：在输入对交流共模干扰的抑制：在输入端加接一个端加接一个输入保护电路输入保护电路。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流

41、共模信号：当当R1= R2时，由于屏蔽层和信号时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的，线间对交流共模信号是等电位的，故故C1、C2的分压作用不存在，从而的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。降低共模干扰的影响。抗共模干扰能力抗共模干扰能力u 对交流共模信号：对交流共模信号：在弱信号、强干扰的环境中，普通的在弱信号、强干扰的环境中，普通的“高精度、低漂移高精度、低漂移”的运放（如的运放（如OP07，AD517等），仍然无法代替测量放大器。等），仍然无法代替测量放大器。普通运放的输入阻抗不可能做得很高，因此不适于作普通运放的输入阻抗不可能做得很高，因此不适于作为多点检测的前置放大器（

42、因为信号源内阻不同，放为多点检测的前置放大器（因为信号源内阻不同，放大器增益也不同）；大器增益也不同）；普通运放调节增益不方便，因为要保证两输入端电阻普通运放调节增益不方便，因为要保证两输入端电阻对称，必须在改变反馈量（调节增益）的同时，也要对称，必须在改变反馈量（调节增益）的同时，也要相应调节另一输入端等效输入电阻；相应调节另一输入端等效输入电阻；普通运放抗共模干扰的能力低于测量放大器，尤其是普通运放抗共模干扰的能力低于测量放大器，尤其是对交流共模信号，原因是无法接入对交流共模信号，原因是无法接入“输入保护输入保护”电路。电路。 1. 非线性度非线性度 非线性度非线性度:放大器实际输出输入关

43、系曲线与放大器实际输出输入关系曲线与 理想直线的偏差。理想直线的偏差。 非线性度与增益有关，且对数据采集精度影非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。响很大。例如：例如：一个测量放大器，当增益为一个测量放大器，当增益为1时，非线性度为时，非线性度为0.025%；当增益为当增益为500时，非线性度有可能达到时，非线性度有可能达到0.1%。如果将其。如果将其用于一个用于一个12位的位的A/D转换器中，将会严重影响转换器中，将会严重影响A/D转换转换器的精度，相当于变成了器的精度，相当于变成了10位以下的转换器。位以下的转换器。2. 温漂温漂温漂温漂：测量放大器输出电压随温度变化而：测量放大器

44、输出电压随温度变化而 变化的程度。变化的程度。例如：例如：一个温漂一个温漂2 V/的测量放大器的测量放大器，当增益为当增益为1000时时，测测量放大器的输出电压产生约量放大器的输出电压产生约20mV的变化的变化。这个数字这个数字相当于相当于12位位AD转换器在满量程为转换器在满量程为10V的的8个个LSB值值。通常测量放大器的输出电压会随温度的变通常测量放大器的输出电压会随温度的变化而发生（化而发生（150） V/变化，这也与测变化，这也与测量放大器的增益有关。量放大器的增益有关。应尽量选择温漂小的测量放大器。应尽量选择温漂小的测量放大器。 3. 建立时间建立时间建立时间建立时间：指从阶跃信号

45、驱动瞬间至测量：指从阶跃信号驱动瞬间至测量 放大器输出电压达到并保持在放大器输出电压达到并保持在 给定误差范围内所需的时间。给定误差范围内所需的时间。 tUtU03. 建立时间建立时间建立时间建立时间：指从阶跃信号驱动瞬间至测量：指从阶跃信号驱动瞬间至测量 放大器输出电压达到并保持在放大器输出电压达到并保持在 给定误差范围内所需的时间。给定误差范围内所需的时间。 测量放大器的建立时间随其增益的增加而测量放大器的建立时间随其增益的增加而增加。增加。当增益当增益200时时，为达到误差范围为达到误差范围0.01%，往往建立往往建立时间达到时间达到50 s 100 s，有时甚至高达有时甚至高达350

46、s 。 例如：例如：4. 恢复时间恢复时间恢复时间恢复时间：指放大器撤除驱动信号瞬间至放：指放大器撤除驱动信号瞬间至放 大器由饱和状态恢复到最终值所大器由饱和状态恢复到最终值所 需的时间。需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。集系统的采样速率。 5. 电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调：电源电压每变化：电源电压每变化1%1%，引起，引起 放大器的漂移电压值。放大器的漂移电压值。 该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。6. 共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模

47、抑制比：放大器对差模信号的电压放大倍：放大器对差模信号的电压放大倍 数数Aud与对共模信号的电压放大与对共模信号的电压放大 倍数倍数Auc之比，称为共模抑制比。之比，称为共模抑制比。 (dB) ucudAACMRRlg20u CMRR越大，此时差分放大电路抑制共模信越大，此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。号的能力越强，放大器的性能越好。u CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大。增加而增大。 6. 共模抑制比共模抑制比 u 电路对称性电路对称性：电路的对称性决定了被放大：电路的对称性决定了被放大后的信号残存共模干扰的幅度，电路

48、对称后的信号残存共模干扰的幅度，电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。信号（干扰）的能力也就越差。u 放大器本身的线性工作范围放大器本身的线性工作范围 ：测量放大器：测量放大器工作线性范围不是无限大的，当共模信号工作线性范围不是无限大的，当共模信号超出了其线性范围时，即使正常信号也不超出了其线性范围时，即使正常信号也不能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。能被正常放大，更谈不上共模抑制能力。影响共模抑制比的因素：影响共模抑制比的因素：1. AD521AD521工作原理与工作原理与4.24.2节介绍的测量放大器类似。节介绍的测量

49、放大器类似。采用采用1414脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。 1234567891011131214OUTOFF SETVINRG+INSENSEREFRSCOMPOFF SETRSV+RGAD521引脚功能引脚功能123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本连接方法基本连接方法u 引脚引脚4，6用于调整放用于调整放大器零点，将大器零点，将4，6端端接到接到10K电位器的电位器的两个固定端。电位两个固定端。电位器滑动端接负电源器滑动端接负电源U-U-（脚（脚5 5）。）。u 引脚引脚10，13用于外接用于外接电阻电阻RS，用于对放，用

50、于对放大倍数进行微调。大倍数进行微调。当当RS=100k15% 时，可以得到比较时，可以得到比较稳定的放大倍数。稳定的放大倍数。1. AD521123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本连接方法基本连接方法u 引脚引脚2，14用于外接用于外接电阻电阻RG，用于调整，用于调整放大倍数。放大倍数。u 测量放大器的放大倍测量放大器的放大倍数数: :GUURROUTINSGu 其放大倍数可在其放大倍数可在11000的范围内调整。的范围内调整。123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本连接

51、方法基本连接方法技术指标：技术指标：u 共模抑制比共模抑制比100dB 100dB ( (G=100时时) )；u 输入阻抗输入阻抗3 3 10109 9 ；u 增益带宽大于增益带宽大于2MHz；u 电压放大倍数电压放大倍数11000；u 电源电压电源电压(518)V；u 过载能力较强，动态过载能力较强，动态 特性好。特性好。2. AD522AD522可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。采用的数据采集。采用1414脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。 1234567891011131214OUTOFF SETVINRG+INSENSEREFNCG

52、NDOFF SETDATA GUARDV+RGAD522引脚功能引脚功能u 引脚引脚4，6用于调整放用于调整放大器零点，将大器零点，将4，6端端接到接到10K电位器的电位器的两个固定端。电位两个固定端。电位器滑动端接正电源器滑动端接正电源U+U+（脚（脚8 8）。）。u 引脚引脚13用于连接信号用于连接信号传输导线的屏蔽网，传输导线的屏蔽网，以减少外电场对输以减少外电场对输入信号的干扰。入信号的干扰。12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本连接方法基本连接方法U+u 引脚引脚2，14用于外接用于外接电阻电阻RG，用于调整，用于调整放大倍数。放大倍数。u

53、 测量放大器的放大倍测量放大器的放大倍数数: :G5INOUT1021RUUGu 其放大倍数可在其放大倍数可在11000的范围内调整。的范围内调整。12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本连接方法基本连接方法U+u 共模抑制比共模抑制比100dB 100dB ( (G=100时时) )；u 输入阻抗输入阻抗10109 9 ；u 非线性度低：非线性度低：0.005% ( (G=100时时) )；u 电源电压电源电压(58)V；u 低漂移：低漂移：2.0uV/。u 低噪声：低噪声：1.5mVp-p ( (0.1100Hz) )。u 使用了自动激光调整使用了

54、自动激光调整 的薄膜电阻，因而公的薄膜电阻，因而公 差小、损耗低、体积差小、损耗低、体积 小、性能可靠。小、性能可靠。 技术指标：技术指标：12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本连接方法基本连接方法U+1.AD521芯片的使用示例芯片的使用示例 当使用当使用AD521（或任何其他测量放大器）时，要特别注意（或任何其他测量放大器）时，要特别注意为偏置电流提供回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂为偏置电流提供回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂散电容充电，使输出电压漂移得不可控制。散电容充电，使输出电压漂移得不可控制。1.AD521芯片的使用示例芯片的使

55、用示例 当使用当使用AD521AD521（或任何其他测量放大器）时，要特别注意为（或任何其他测量放大器）时，要特别注意为偏置电流提供回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂散偏置电流提供回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂散电容充电，使输出电压漂移得不可控制。电容充电，使输出电压漂移得不可控制。AD521输入端输入端1或或3直接或通过直接或通过电阻与电源的地电阻与电源的地线构成回路。线构成回路。2.AD522芯片的使用示例芯片的使用示例 2.AD522芯片的使用示例芯片的使用示例 （1）输入级共模抑制比: 差动放大器件特性不一致 CMRR1 CMRR2 CMRR12= CMRR1CMRR2 /CM

56、RR1 -CMRR2 如果，引入附加共模误差（最好 0.5dB)共模电压产生差动电压引起共模抑制比变化1212111CMRRCMRRCMRRccc1c2uu KK四、运放器件偏离理想特性的影响四、运放器件偏离理想特性的影响121212CMRR CMRRCMRRCMRRCMRR（2）匹配电阻误差引起共模增益下降 CMRR3受输出电阻（R3，R4 ，R5 ，R6不匹配的影响。 因入偏差 ，考虑最严重情况：R3= R30 （1+ ）R4= R40 （1- ） R5= R50 （1- ） R6= R60 （1+ ）N3共模增益：总附加共模增益比总共模抑制比311RCMRRCMRR333RRCMRR C

57、MRRCMMRCMRRCMRR )1(14)1 (335356463dCKRRRRRRRK 其中：N3的差模增益：Kd3=R50/R30 CMRRR=(1+ Kd3)/(4 )-外接不对称电阻而限制的共模抑制比 N3的共模抑制比：CMRR3 CMRR3电路总的共模抑制比： CMRR=（Kd CMRR3CMRR12)/ (Kd CMRR3+CMRR12) 一般：CMRR12 CMRR3 CMRR= Kd CMRR3RRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRR333 为了得到高共模抑制比：为了得到高共模抑制比： （1） N3须有高共模抑制比，精选外接电阻匹配， R3= R4 R5= R6 （ 0.

58、1%）； （2） 设计输入级Kd大些， Kd3小些。 （3） N1和N2的隔离作用，容许输出级外部电阻小些,利于提高电阻的匹配精度 （4） CMRR 120dB，共模输入电压+6V-10V （5）总增益K=1 1000（RP=几十到几百欧） （6） R7，R8，Rp共模补偿电路，调整Rp补偿电阻的不对称性、进一步提高共模抑制比； （7） N1 N2 N3选高进精密、高增益低漂移运算放大器 （4E325）可获得优良性能.五、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路五、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路什么是有源屏蔽驱动电路？什么是有源屏蔽驱动电路？ 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

59、大后，使其输入端的共模电压1 1地输出，并通过输出端各自电阻R0 （阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，两个电阻R0的连接点电压uc等于uic，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压uic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。uo+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4-+N2-+N3uo2uo1在信号传输中常采用屏蔽电缆在信号传输中常采用屏蔽电缆 当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容C1和C2 ，以及传感器和传输电缆内阻RS1和RS2将在放大器输入端形成两个积分电

60、路。 a,b两端共模电压分别为： uac=（1-j Rs1C1）uic ，ubc=（1-j Rs2C2） uic 大小为：uc= j （Rs1C1 -Rs2C2）uic差 动放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo屏蔽电缆等效电路n引起输出端差模电压coc2oc1icS22S11uuuuR CR Cn对于原来 的电路CMRR 11S22S1CRCRCMRRuo+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4-+N2-+N3uo2uo1n引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。 共模电压自举方法：有源屏蔽驱动电路+-+N1ui2R1R5R2