第二章信号放大电路4-6学时 2.ppt 2课件

1、1第二章第二章 信号放大电路信号放大电路1 1、测量放大电路、测量放大电路在测量控制系统中，用来放大传感器输出的在测量控制系统中，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微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量测量放大电路放大电路，亦称，亦称仪用放大电路仪用放大电路。一、何谓测量放大电路？一、何谓测量放大电路？2（1 1）按结构原理分：）按结构原理分：差动直接耦合式（单端输入运算放大电路；电桥差动直接耦合式（单端输入运算放大电路；电桥放大电路；电荷放大电路）放大电路；电荷放大电路）调制式调制式自动稳零式自动稳零式（2 2）按元件的制造方式分：）按元件的制造方式分： 分立元件

2、结构形式（基本淘汰）分立元件结构形式（基本淘汰）通用集成运算放大器组成形式通用集成运算放大器组成形式单片集成测量放大器单片集成测量放大器2 2、测量放大电路的类型、测量放大电路的类型3输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；稳定的放大倍数；稳定的放大倍数；低噪声；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；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；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比；高共模输入范围和高共模抑制比； 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。3 3、对测量放大电路的

3、基本要求：、对测量放大电路的基本要求：4l开环增益开环增益K K ：l闭环增益闭环增益K Kf f ：l差模增益差模增益K Kd d ：l共模增益共模增益K Kc c ：4 4、几个重要术语、几个重要术语运放本身的增益，常视为运放本身的增益，常视为由放大器的接法及外接电阻参数决定，由放大器的接法及外接电阻参数决定，是电路的实际增益，是电路的实际增益， Kf=Uo/Ui由差模输入信号由差模输入信号uid引起的增益引起的增益( (uid= ui1ui2) )由共模输入信号由共模输入信号uic引起的增益引起的增益( (uic=(ui1+ ui2)/2) ) Uo = Kd uid + Kc uicC

4、MRR=|CMRR=|差模增益差模增益K Kd d/ /共模增益共模增益K Kc c | |或者或者=20lg |=20lg |差模增益差模增益K Kd d/ /共模增益共模增益K Kc c | |l共模抑制比共模抑制比：5l输出失调电压输出失调电压u0 0 ：对理想放大器，输入为零，输出对理想放大器，输入为零，输出也应为零。但实际的运放前置级也应为零。但实际的运放前置级往往不对称，所以必须在输入端往往不对称，所以必须在输入端加一个直流电压，才能使输出为加一个直流电压，才能使输出为零，这个直流电压称为。零，这个直流电压称为。l输入失调电压输入失调电压uOSOS ：当输入为零而输出不为零时，输当

5、输入为零而输出不为零时，输出端的电压称为。出端的电压称为。l输入失调电流输入失调电流：I0s=IP- IN输入失调电压随时间和温度变化；输入失调电压随时间和温度变化；也就是说，输入短路时，输出零点也就是说，输入短路时，输出零点随时间和温度变化，形成随时间和温度变化，形成l零点漂移零点漂移：6 序号序号 参数名称参数名称 理想值理想值 实际值实际值 1 差模增益差模增益 90100dB以上以上 2 共模增益共模增益 0 0dB以上以上 3 输入阻抗输入阻抗 100k数兆欧数兆欧 4 输出阻抗输出阻抗 0 10数百欧数百欧 5 带带 宽宽 0 010Hz（或（或010kHz） 6 动态范围动态范围

6、 0供电电压供电电压 有限部分有限部分 7 输入失调电压输入失调电压 0 纳伏至毫伏纳伏至毫伏 8 输入失调电流输入失调电流 0 皮安至微安皮安至微安 9 噪噪 声声 0 纳伏至微伏纳伏至微伏运算放大器件的主要误差源运算放大器件的主要误差源7Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 Ri= R1R1通常取值几千欧通常取值几千欧uoR3uiR1R2- -+ + +N1二、典型放大器的设计二、典型放大器的设计（一）直流放大器（一）直流放大器1、反相放大器、反相放大器特点：特点： Ri小小 共模抑制比好（没有共模误差）共模抑制比好（没有共模误差）8Kf= uo / ui =

7、1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3uiR1R2- -+ + +N12、 同相放大器同相放大器or Zi =zin(1+T)+ R3= zin1+K /(1+ R2 / R1)+ R391 1、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：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2- -+ + +N1C1C3（二）交流放大器（二）交流放大器10C1：隔直电容：隔直电容R3 ：C1的放电回路的放电回路 R3 必须有必须有Zi =R3 uoR3ui

8、R1R2- -+ + +N1C12 2、同相交流放大电路、同相交流放大电路使同相放大器失去高输入阻抗的特点使同相放大器失去高输入阻抗的特点11同相放大电路的特例同相放大电路的特例为减小失调电流，为减小失调电流，R R3 3= = R R2 2 uoR3uiR2- -+ + +N1C13 3、交流电压跟随电路、交流电压跟随电路12何谓自举电路何谓自举电路? ? 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，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。减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。所有情况下都要求放大电路具有高输入阻抗？所有情

9、况下都要求放大电路具有高输入阻抗？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。如放大电路中。如电容式、压电式传感器电容式、压电式传感器的测量放大电的测量放大电路。路。（三）、高输入阻抗放大电路（三）、高输入阻抗放大电路2 2、自举式高输入阻抗放大电路、自举式高输入阻抗放大电路1 1、高输入阻抗集成运算放大器、高输入阻抗集成运算放大器 LF356LF356，FETFET输入级，输入级，10101212131)1)同相交流放大电路同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3- -+ + +ui三种三种常用常用的自举式高输入阻抗放大电路的自

10、举式高输入阻抗放大电路142)2)交流电压跟随电路交流电压跟随电路( (高输入阻抗型高输入阻抗型) )uouiR1R2C2C1R3- -+ + +15输入电阻为输入电阻为Ri=ui/i=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Rii2 = i1 i = 0uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)3)3)自举组合电路自举组合电路16差动放大器差动放大器是把是把二个输入信号（二个输入信号（ui1、ui2）分别输入分别输入到运算放大器的反相和同相二个输入端，然后在到运算放大器的反相和同相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二输出端取出二个信号的差模

11、成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。个信号的共模成分。（四）差动放大器（四）差动放大器uo+ +- -+ +Nui1R1R2R4ui2R317uid= ui2ui1Uo= Uo(id)+ Uo(ic)uic=(ui1+ ui2)/2差模输入电压：差模输入电压：共模输入电压：共模输入电压：输出电压：输出电压：Uo(id)=KduidUo(ic)=KcuicCMRR=Kd/Kcuo+ +- -+ +Nui1R1R2R4ui2R318基本电路基本电路 共模与差模输入共模与差模输入R2UoR4ui2R1-+N1R3ui1R2UoR4uid/2R1-+N1R3uid/2uicuid= ui2ui1ui1

12、= uic-uid/2uic=(ui1+ ui2)/2ui2 =uic+uid/219ui1作用时电路的输出作用时电路的输出uo1 i112o1uRRuui2作用时电路的输出作用时电路的输出uo2 i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuid12121434ic12121434)uRRRRRRRR(21)uRRRRRRRR( 若若R2/R1=R4/R3，则则Uo= (R2/R1) uid即输出信号中无共模信号成分即输出信号中无共模信号成分, ,只对差模信号进行放大只对差模信号进行放大1212143412121434cd21RRRRRRRRRR

13、RRRRRRKKCMRR电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。实际上不可能完全做到实际上不可能完全做到R R2 2/R R1 1= =R R4 4/R R3 3 21用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电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。压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。（五）、高共模抑制比放大电路（五）、高共模抑制比放大电路应用于要求共模抑制比大于应用于要求共模抑制比大于100100dBdB的场合，例的场合，例如人体心电测量。如人体心电测量。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

14、路？应用于何种场合？应用于何种场合？22uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当当R2/R1=R4/R5，uo=(R6/R5)(ui1-ui2)若若ui1=ui2时，时，uo=0ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo- -+ + +N1- -+ + +N2（1）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 反相串联结构型反相串联结构型共模抑制能力与电阻精度有关，且输入阻抗低共模抑制能力与电阻精度有关，且输入阻抗低特点：特点：通常取通常取R1=R5，R2=R4，uo=(R6/R1)(ui1-ui2)23uoui2ui1R4R3uo

15、1R2R1+ +- -+ +N2+ +- -+ +N1、同相串联结构型、同相串联结构型为获零共模增益，为获零共模增益，可取可取R1/R2=R4/R3，依赖电阻匹配精度依赖电阻匹配精度424i21313(1)(1oiRRRuuuRRR）244241331321(1)(1)2oicidR RRR RuuuR RRR R2111(1)oiRUuR12234oiiouuuuRR特点：特点：1. 1. 高输入阻抗；高输入阻抗；2. 2. 对于对于N2仍然是差动放大电路仍然是差动放大电路24ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RP1R8R3R4R6uoR5+ +- -+ +N1IR- -+ + +N2

16、- -+ + +N3（2）三运放高共模抑制比放大电路）三运放高共模抑制比放大电路0i12i11o1 i22i2oRuuRuuRuuIR2i011 i011o)1 (uRRuRRu1 i022 i022o)1 (uRRuRRu)(1 (1 i2 i0211o2ouuRRRuu0211 i2i1o2od1RRRuuuuK特点：特点： 输入阻抗高；输入阻抗高； 增益调整方便；增益调整方便；1. 1. 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。对于对于N3：uo =uo2 R6/ (R4 +R6) (1+R5 /R3 )uo1R5 /R3 ， 若取若取R3= R4 ， R

17、5= R6，则有，则有uo =(uo2uo1)R5 /R3 26（3）有源屏蔽驱动电路）有源屏蔽驱动电路差差 动动放大器放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2+ +- -+ +N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4- -+ + +N2- -+ + +N327什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的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1111地输地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两出，并通过输出端各自

18、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。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。感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。 作业：作业：p55，2-3，2-428 通用集成运放组成的斩波稳零放大电路通用集成

19、运放组成的斩波稳零放大电路 通用集成运放组成的自动调零放大电路通用集成运放组成的自动调零放大电路 低漂移单片集成运算放大器低漂移单片集成运算放大器（六）、稳零放大电路（六）、稳零放大电路29- -+ + +N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1- -+ + +N1K2- -+ + +N2# #UiSb1R1# # # #- -+ + +N4a) 电路原理图电路原理图UoC1UiR1R2K1- -+ + +N1c) 调零放大输出调零放大输出K2C1UC1Uo1R1R2K1- -+ + +N1- -+ + +N2b) 误差保持误差保持（1）自动调零放大电路）自动调零放大电路30由图由图a，当当N3

20、输出高电平输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失导通，电路处于失调调零状态，见图调调零状态，见图b。可推出：。可推出： Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1电容电容C1寄存了运算放大器寄存了运算放大器N1的失调电压的失调电压U0s1。当当N3输出低电平输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状导通，电路进入信号放大状态，见图态，见图c。可推出：。可推出： Uo=Ui (R2/R1) U0S1K1 + UC1K1 (R2/R1)Ui实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。31电路特点：电路特点：

21、性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路；放大电路；输出电压较稳定；输出电压较稳定；波动小；波动小；电路成本低（用一块四运放电路成本低（用一块四运放LF347LF347和一块和一块4 4位模拟开关位模拟开关CD4066CD4066即可组成）；即可组成）；适用于毫伏级的低电平放大。适用于毫伏级的低电平放大。32 轮换自动校零集成运算放大器（轮换自动校零集成运算放大器（CAZCAZ运算放运算放大器）大器）什么是什么是CAZCAZ运算放大器？运算放大器？CAZCAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大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

22、的切换，使内部器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信两个性能一致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。号放大和自动校零两种不同的状态。 （2）低漂移单片集成运算放大器）低漂移单片集成运算放大器33问题：问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？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？什么场合下采用较为合适？CAZCAZ运算放大器运算放大器输出输出C1G输入输入 C2+输入输入 输出输出 R2-+N1-+N2R2C1GR2输入输入 -+N1-+N2R2+输入输入 a) N2处于自动校零状态处于自动校零状态b)

23、 N1处于自动校零状态处于自动校零状态C234CAZCAZ运算放大器的特点运算放大器的特点输出信号稳定无波动输出信号稳定无波动电路成本较高电路成本较高对共模电压无抑制作用对共模电压无抑制作用适用于传感器输出信号极为微弱，输出要适用于传感器输出信号极为微弱，输出要求稳定，漂移极低且对共模电压抑制要求不求稳定，漂移极低且对共模电压抑制要求不高的地方高的地方35内部调制内部调制补偿电路补偿电路箝位电路箝位电路外时钟输入外时钟输入GSaSb时钟输出时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+ +- -+ +N1+ +- -+ +N2+ +- - 斩波稳零集成运算放大器（斩波稳零集成

24、运算放大器（ICL7650)ICL7650)36误差检测和寄存阶段：误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号和共模信号Uc作用并输出，由电容作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到寄存，同时反馈到N2的侧向输入端的侧向输入端A2，此时，此时Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。校零和放大阶段校零和放大阶段：时钟为低电平，时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入闭合，输入信号信号Ui同时作用到同时作用到N1、N2的输入端。的输入端。N2除输入除输入Ui、U0s2和和Uc外

25、，在侧向端外，在侧向端A2还作用着还作用着Uc 2，此时，此时N2的输出为的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压的失调电压U0s2和共模电压和共模电压Uc全部被消除，全部被消除，达到稳零目的。达到稳零目的。 此时，此时， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。37Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。斩波稳零集成运算放大器问题：斩波稳零集成运算放大器问题：该电路的增益是如何提高的？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？该电路的共模抑制比是如何提高的？该

26、电路有哪些优点？（高增益、低失调电该电路有哪些优点？（高增益、低失调电压影响、高共模抑制比、高输入阻抗）压影响、高共模抑制比、高输入阻抗）38（七）、电桥放大电路（七）、电桥放大电路何谓电桥放大电路？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。感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。（1）单端输入电桥放大电路）单端输入电桥放大电路 Z1Z2Z4Z3R2R1bauou- -+ + +Na) 反相输入反相输入R+RR2R1uoRRRu- -+ + +Nb) 同相输入同相输入39（2）差

27、动输入电桥放大电路）差动输入电桥放大电路- -+ + +NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR40（3）线性电桥放大电路）线性电桥放大电路uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub- -+ + +N41什么是隔离放大电路？什么是隔离放大电路？隔离放大电路的隔离放大电路的输入、输入、输出和电源电路输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统中（如生物医学式测量仪器和某些测控系统中（如生物医学

28、人体测量、自动化试验设备、工业过程控制人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等），能在噪声环境下以高阻抗、高共系统等），能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。模抑制能力传送信号。 （八）、隔离放大电路（八）、隔离放大电路42（1 1）基本原理）基本原理 组成及符号组成及符号输入输入放大器放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器隔离器输输 出出放大器放大器uducuiso43 原理框图原理框图a) 变压器耦合变压器耦合浮置电源浮置电源输入调制输入调制放放 大大 器器耦合变压器耦合变压器输 出 解 调输 出 解 调放放 大大 器器输出输出输入输入b) 光电耦合光电耦合浮置电源

29、浮置电源光耦合器光耦合器输输 入入放大器放大器输输 出出放大器放大器输出输出输入输入LEDV44（2 2）通用隔离放大电路）通用隔离放大电路 AD277 AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器隔离隔离电源电源振荡器振荡器调制器调制器输入屏蔽输入屏蔽解调器解调器输出屏蔽输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U - -+ + +N1- -+ + +N245 235L电源电源904510增益微调用增益微调用100kAD277UoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路限幅电路10k10k1k235L电源电源 15V15V10010F

30、F10010F100220V 50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1- -+ + +C0.1FF可承受可承受2500v2500v共模电压，共模抑制比达共模电压，共模抑制比达160dB160dB；可检测微伏级输入；可检测微伏级输入46i1 = i2i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)取取R2 =R3uo=(R5+ Rp) ui/R1- -+ + +N1C10VVLC1i1R210V10VVLC2i2R3R1ui10VuoR5- -+ + +N2R43.9kRp作业：作业：p55，2-7、 2-16 互补式光电耦合放大

31、电路互补式光电耦合放大电路47三、噪声的基础知识三、噪声的基础知识噪声可分为白噪声和色噪声：噪声可分为白噪声和色噪声：白噪声：白噪声：噪声的波形随机，瞬时值不能预测，每赫兹带宽噪声的波形随机，瞬时值不能预测，每赫兹带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。色噪声：色噪声：噪声的频率固定，可以预测，而幅值和相位有可噪声的频率固定，可以预测，而幅值和相位有可能是随机的。能是随机的。噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。干扰噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。干扰和噪声没有本质的区别。通常将外部来的称为和噪声没有本质的区别。通常将外部来的称为干扰干扰，把内，把内部产生的称为部产生的称为噪声噪声。48（一）、噪声的种类和性质（一）、噪声的种类和性质电子线路中常见的固有噪声有电子线路中常见的固有噪声有:热噪声热噪声低频噪声低频噪声散弹噪声散弹噪声1 1、热噪声、热噪声热噪声是由导体中的电荷载流子的热激振热噪声是由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声，它是一种动引起的噪声，它是一种白噪声白噪声。处于绝对零度以上的任何导体中，都存在电子