测控电路02_信号放大电路

1、2. 信号放大电路信号放大电路何谓测量放大电路？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。基本要求基本要求： 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。2. 信号放大电路信号放大电路R2ui+-+ NR1R3从灵和安全可靠出发，还需要：

2、 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。2. 信号放大电路信号放大电路 测控电路42. 信号放大电路信号放大电路 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 测控电路52. 信号放大电路信号放大电路 隔离放大电路 电荷放大电路 增益可控放大电路 测控电路6 2. 信号放大电路信号放大电路2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源 2.1 2.1 运算放大器件的主要误差源运算放大器件的主要误差源 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

3、 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 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+-+ N2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源 2. 信号放大电路信号放大电路n采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。n最主要的误

4、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。 测控电路8 2. 信号放大电路信号放大电路2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源式中式中 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)(t噪声噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。

5、把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。热噪声热噪声由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声 2. 信号放大电路信号放大电路 2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源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结的漏电流有关的噪声结的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

6、( (Hz) )。 baffIktU12)(散弹噪声散弹噪声 流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续流过二极管、三极管位垒层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1.5910-19C； 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)。BqIIDCsh2 2. 信号放大电路信号放大电路 2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源n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）

7、采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比电路。 2. 信号放大电路信号放大电路 2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源减小漂移影响的主要措施减小漂移影响的主要措施（1 1）采用低漂移放大电路；）采用低漂移放大电路；（2 2）合理设计偏置电路；）合理设计偏置电路； （R3= R1 / R2 ）（3 3）采用信号调制解调。）采用信号调制解调。uoR2ui+-+ NR1R3 2. 信号放大电路信号放大电路 2.1 2.1 测量放大电路的主要误差源测量放大电路的主要误差源在许多情况下需要测量的参数是差值在许多情况下需要测量的参数是差值 形状误差、位置误差、差压、温差形状误差、位置

8、误差、差压、温差有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值在多数情况下外界干扰主要是共模干扰在多数情况下外界干扰主要是共模干扰在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致性在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致性2. 信号放大电路信号放大电路2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路精精一、基本差动放大电路 基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大电路的组合2. 信号放大电路信号放大电路ui+- NuoR1R2R312f1RRKuoui+-+NR1R2R312fRRK反相放大电路同相放大电路2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制

9、比放大电路 测控电路15一、基本差动放大电路一、基本差动放大电路2.信号放大电路uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1 i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2 i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路独立作用原理独立作用原理2.信号放大电路一、基本差动放大电路i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu取R2/R1=R4/R3 )(i1i212ouuRRu具有共模抑制能力。 2.2 高共模抑制比放大电路uo+-+Nui1R1R2R4u

10、i2R32.信号放大电路一、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)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuu2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路2.信号放大电路一、基本差动放大电路1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。2.2 高共模抑制

11、比放大电路2.信号放大电路二、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 (uRRRRuRRu2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路基尔霍夫定理基尔霍夫定理2.信号放大电路二、二、同相串联同相串联高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路id314234ic3142o)21 (21)1 (uRRRRRRuRRRRu3421RRRR取取34d1RRK42431324132112

12、1RR RRR RCMRRR RR R2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1增益与共模抑制比牵连增益与共模抑制比牵连2.信号放大电路三、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-+N32.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路RP调整两臂平衡2.信号放大电路0i12i11o1 i22i2oRuuRuuRuuIR2i011 i011o)1 (uRRuRRu1 i022i022o)1 (uRRuRRu)(

13、1 (1 i2i0211o2ouuRRRuu0211 i2i1o2od1RRRuuuuK电路特点：电路特点： 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，共模对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。抑制比趋向无限大。R7RPR8R3R4R6uoR5-+N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2+-+N1IR-+N2三、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2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电

14、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路。共模输入信号uic 在RS1、RS2上产生jRS1C1uic、jRS2C2uic的压降 2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路差 动放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模

15、抑制比放大电路n引起输出端差模电压2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路coc2oc1icS22S11uuuuR CR Cn对于原来 的电路CMRR 11S22S1CRCRCMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路uo+-+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。 2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路+-+N1

16、ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4-+N2-+N3uo（1）差动放大器件特性不一致共模电压产生差动电压引起共模抑制比变化1212111CMRRCMRRCMRR2.信号放大电路ccc1c2uu KK五、运放器件偏离理想特性的影响五、运放器件偏离理想特性的影响121212CMRR CMRRCMRRCMRRCMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路cd1KCMRRKR7RPR8R3R4R6uoR5-+N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2+-+N1IR-+N2（2）差动放大器特性不理想共模增益同时受阻抗不匹配和运算放大器N3的有限共模抑制比影响，由阻抗不匹配

17、引起附加共模增益运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响五、运放器件偏离理想特性的影响dRKCMRRd3KCMRR2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路cd1KCMRRK2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响五、运放器件偏离理想特性的影响（2）差动放大器特性不理想总附加共模增益比总共模抑制比311RCMRRCMRR333RRCMRR CMRRCMMRCMRRCMRR 2.2 2.2 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路cd1KCMRRKn某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直流缓变信号，漂移是一个关键难题

18、。常用措施包括(1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放大电路。n许多情况下难以在传感器内直接调制，减小测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。n集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出，对失调电压进行校正，实现自动调零。 2.3 低漂移放大电路低漂移放大电路2. 信号放大电路信号放大电路精精2. 信号放大电路信号放大电路2.3 低漂移放大电路低漂移放大电路Uo-+N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4时钟2. 信号放大电路信号放大电路2.3 低漂移放大电路低漂移放大电路-+N3UoK

19、1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4高低2. 信号放大电路2.3 低漂移放大电路b)误差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2U0s1U0s21o10 22()CsUUUK o10 111()sCUUUK 120s120s20s210s10s11211CK K UK UUUUUK KK2. 信号放大电路信号放大电路2.3 低漂移放大电路低漂移放大电路Uo-+N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4时钟高低2. 信号放大电路信号放大电路2.3 低漂移放大电路低漂移放大电路i121111s012ioURRKUKUR

20、RUUCc) 调零放大输出UoC1UiR1R2K1-+N1U0s12. 信号放大电路2.4 高输入阻抗放大电路问题提出：电路的接入不应该影响原系统工作状态有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108以上，这就要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗，不至于因为放大电路的接入使传感器输出信号大幅度下降。开环集成运算放大器的输入阻抗通常都很高，但反相运算放大电路等，其输入阻抗远低于同相运算放大电路。 R2ui+-+ NR1R3精精2. 信号放大电路2.4 高输入阻抗放大电路uoui+-NR1R2R3+-NuiuoR1R2b) 跟随电路a) 同相放大电路 采用同相输入具有很高输入阻抗 测控电

21、路382. 信号放大电路信号放大电路uo+-NuiR1R2R3R4C12.4 高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路对于交流放大器需要为电容提供放电通道，它使输入阻抗大幅度下降交流放大电路交流放大电路 测控电路39c)自举式高输入阻抗放大电路uoR1R2C2C1R3-+ui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。2. 信号放大电路2.4 高输入阻抗放大电路 测控电路40d)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+2. 信号放大电路2.4 高输入阻抗放大电路 测控电路41e)电流补偿型电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-

22、R1)当R2=R1时，Ri， i2 = i1 uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N22. 信号放大电路i13o1uRRuio1312o22uuRRui21122i2o1iuRRRRRuuRui2.4 高输入阻抗放大电路13RR2. 信号放大电路2.5 电桥放大电路电桥放大电路P应变片测量力应变片测量力uuo灵灵2. 信号放大电路2.5 电桥放大电路电桥放大电路uuousucx线圈线圈测杆测杆工件工件衔铁衔铁 测控电路44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

23、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大电路，输出放大了的电压信号。 2.5 电桥放大电路电桥放大电路2. 信号放大电路 测控电路45（一）反相输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na点为虚地，故uo反馈到R1两端的电压定是-uab2.5 电桥放大电路电桥放大电路2. 信号放大电路uZZZZZZuab)(313424uZZZZZZRRRu)()()(313424211ouZZZZZZZZRRu)()1 (4231413212o)2(14)1

24、(12ouRRuZ1=Z2=Z4=R, Z3=R(1+), =R/R 2. 信号放大电路R+RR2R1uo-+NRRRu2.5 电桥放大电路电桥放大电路n（二）同相输入电桥放大电路)2(14)1 (12ouRRu 测控电路47（三）差动输入电桥放大电路2.5 电桥放大电路电桥放大电路R1=R2 R 221ouRRRuua)2()1 (uubua=ub 4)2(1)21 (1ouRRu2. 信号放大电路-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR 测控电路48（四）线性电桥放大电路（四）线性电桥放大电路2.5 电桥放大电路电桥放大电路2. 信号放大电路uoR3R2 =R(1+)R1uua

25、R1ub-+N)()()()(1221o121oRRuRRuuRRRuuua)(313RRRuubuRRRRuRRRRRRRu31231231312o)(1 (RRRuu1oua = ub 当R3 =R时 量程较大，但灵敏度较低 电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。例如，压电式传感器例关系的测量放大电路。例如，压电式传感器或电容式传感器可将某些被测量（如力、压力或电容式传感器可将某些被测量（如力、压力等）转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电等）转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电路输出放大了的电压信号。因此，电荷放大电路输出放大

26、了的电压信号。因此，电荷放大电路亦称为电荷路亦称为电荷- -电压变换电路。电压变换电路。2. 信号放大电路2.6 2.6 电荷放大电路电荷放大电路 灵灵2. 信号放大电路2.6 2.6 电荷放大电路电荷放大电路 QCRRiCiCcRsCs-+Nuob) 实际等效电路图实际等效电路图QCuo-+Na) 基本原理图基本原理图Cs传感器等效电容， Rs传感器泄漏电阻，Cc 电缆电容，Ri 运算放大器的输入电阻，Ci 运算放大器的输入电容。R 电荷泄放电阻。 2. 信号放大电路2.6 2.6 电荷放大电路电荷放大电路 把C、R等效到N的输入端时，等效电阻R/(1+K)，等效电容C= C(1+K)， K

27、足够大 )1 (j)1 ()1 ()1(jicsisoCKCCCRKRRQKURCRQUj1jo2. 信号放大电路2.6 2.6 电荷放大电路电荷放大电路 )1 (j)1 ()1 ()1(jicsisoCKCCCRKRRQKUcsicsi(1)CCCCCCCK CRCf21L 足够大,相对运算误差频率特性 ,下限截止频率高频特性由运放器件特性决定 增益可控放大电路可以根据被测量值自动调整增益，增益可控放大电路可以根据被测量值自动调整增益，以适应测量不同范围量值需要，使用灵活，有利于以适应测量不同范围量值需要，使用灵活，有利于提高测量精度。提高测量精度。(1)改变反馈电阻的自动改变反馈电阻的自动

28、 增益调整电路增益调整电路 Rx=R3+r V饱和导通，饱和导通，r很小，电路增益最大很小，电路增益最大; ; V截止，截止，r，电路增益最小。，电路增益最小。 2. 信号放大电路2.7 2.7 增益可控放大电路增益可控放大电路 2424oi1xRRR RRuuR uoR2R4R1ui控制信号R3-+NV灵灵(2)可编程增益放大电路 根据需要将R3R6与 R2并联，使增益减小。2. 信号放大电路2.7 2.7 增益可控放大电路增益可控放大电路 增益 A B C D100 1 1 1 150 0 1 1 110 1 0 1 12 1 1 0 11 1 1 1 0UoUi1M110k20.4k10

29、.1kABCDR21MR110k10k-+NR3R4R5R6（3）LH0084集成可编程增益差动放大器 2. 信号放大电路2.7 2.7 增益可控放大电路增益可控放大电路 译码器和开关驱动电路Ui1R6Sa110kU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kR22kR14kR32kR56kR710kR910kR1330kR1560kR1460kR810kR1230kR1010kR1110kD0D1数字地810746110Uo131612151114+-+N1-+N3#U23Ui2-+N2（3）LH0084集成可编程增益差动放大器 改变R0、R1、R2改变差动级增益。改变R5、R6改变末级增益。2. 信号放大电路2.7 2.7 增益可控放大电路增益可控放大电路 ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N32. 信号放大电路2.7 2.7 增益可控放大电路增益可控放大电路 LH0084的数字输入、输出端子连接和放大倍数表的数字输入、输出端子连接和放大倍数表数字输入数字输入D1 D0闭合开关闭合开关差动级放大倍数差动级放大倍数（U 2-U1）/（U i2-U i1）连接端子连接端子输出级放大倍数输出级放大倍数Uo/（U2-U1）总放大倍数总放大