张国雄版测控电路PPTChapter2-5

1、第二章第二章 信号放大电路信号放大电路将微弱的传感器信号放大将微弱的传感器信号放大放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构记录器以及各种控制机构第二章第二章 信号放大电路信号放大电路由于由于传感器输出的信号形式和信号大小各不相同传感器输出的信号形式和信号大小各不相同 传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样也不一样因此所采用的放大电路的形式和性能指标也因此所采用的放大电路的形式和性能指标也不尽相同第二章第二章 信号放大电路信号放大电路有的要求有的要求增益能程控增益能程控有的要求进行

2、有的要求进行线性化处理线性化处理有的传感器与放大电路要实现有的传感器与放大电路要实现电气隔离电气隔离通用运放组成的放大电路通用运放组成的放大电路专门设计的单片集成放大器专门设计的单片集成放大器在功率放大电路中，晶体管仍有相当应用在功率放大电路中，晶体管仍有相当应用第二章第二章 信号放大电路信号放大电路第一节第一节 运算放大器的误差及补偿运算放大器的误差及补偿第二节第二节 测量放大电路测量放大电路第三节第三节 增益的调整电路增益的调整电路第四节第四节 隔离放大电路隔离放大电路理想运算放大器模型运算放大器理想特性，5个基本规范 电压增益无限大Avo = 输入电阻无限大rin = 输出电阻为零ro

3、= 0 带宽无限大BW = 输入失调电压为零，如Ein = 0，则Eo = 03个基本准则 差模输入电压为0 流入两个输入端的电流为0 在环路闭合情况下，反相输入端(-)的电压等于同相输入端(+)或参考输入端的电压第一节第一节 运算放大器的误差及补偿运算放大器的误差及补偿一、理想与实际运放的简单比较一、理想与实际运放的简单比较差模增益90-100dB以上共模增益00dB以上共模抑制比80-120dB以上输入阻抗100k数兆欧输出阻抗010数百欧带宽010kHz功率，dB = 10*lg(A/B)对于电压或电流，dB = 20*lg(A/B) 通用运算放大器参数已有高带宽运算放大器第一节第一节

4、运算放大器的误差及补偿运算放大器的误差及补偿二、输入失调电压、输入失调电流二、输入失调电压、输入失调电流1 1、输入失调电压、输入失调电压理想：理想：输入电压为零，输出电压也为零输入电压为零，输出电压也为零实际：实际：输入为零，输出不为零输入为零，输出不为零原因：原因：运算放大器中前置级的差动放大器并不一定运算放大器中前置级的差动放大器并不一定完全对称完全对称 必须在输入端加上某一直流电压后才能使必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零，这一直流电压称为输出为零，这一直流电压称为输入失调电压输入失调电压uos这种失调随时间和温度而变化，即零点在变动，常这种失调随时间和温度而变化，即零点在变

5、动，常称称零点漂移零点漂移R1RiR3u2R2u1uiuo-uosIb1Ib2+N当输入为零时当输入为零时,这时输出电压称为输出失这时输出电压称为输出失调电压调电压uo: 2oos1u(1)uRR失调电压相同的情况下，增益越大，输出失调电压越大，所以失调电压的失调电压相同的情况下，增益越大，输出失调电压越大，所以失调电压的调整很重要调整很重要一、输入失调电压、输入失调电流一、输入失调电压、输入失调电流R2112()()0oiosRuuuRR使得输出为0的输入失调电压uos2 2、输入失调电流、输入失调电流l 普通运算放大器的普通运算放大器的输入端子是晶体管输入端子是晶体管的基极的基极l 输入端

6、有直流偏置输入端有直流偏置电流电流Ib1、Ib2流过流过l 无外加信号时无外加信号时, Ib1、Ib2始终存在并且不始终存在并且不相等相等2 2、输入失调电流、输入失调电流l 在在R2和和R3 两端产两端产生压降生压降u1和和u2,l u1直接引起输出电直接引起输出电压的变化压的变化l u2相当于在同相端相当于在同相端的输入电压的输入电压l 所以由所以由u1、u2在输在输出端产生的失调电出端产生的失调电压压uo2为：为：b2312b12o2IR)RR1(IRu u1u22 2、输入失调电流、输入失调电流l 若取若取R3 = R1/R2 ，则则o22b2b12 osuR (I -I ) R IR

7、2越大，输出失调电压越大越大，输出失调电压越大因此，为了减小输人失调电流对输出失调电压的影响，反馈电限因此，为了减小输人失调电流对输出失调电压的影响，反馈电限R2不能取得太大，通常取不能取得太大，通常取10-100k 输入失调电流输入失调电流Ib2-Ib103 3、输入失调电压、输入失调电流的调整、输入失调电压、输入失调电流的调整两种方法：两种方法：内部调整、外部调整内部调整、外部调整外部调整法：外部调整法：把调整电压加到运算放大器的某一输把调整电压加到运算放大器的某一输入端入端-反相端或同相端反相端或同相端3 3、输入失调电压、输入失调电流的调整、输入失调电压、输入失调电流的调整l 把调整电

8、压加至反相输入端：把调整电压加至反相输入端：调整电压调整电压ua的大小由下式计算：的大小由下式计算：URRRRRRRRua21241421 NR1R3R2R4RPuiuo-15V+15VUua3 3、输入失调电压、输入失调电流的调整、输入失调电压、输入失调电流的调整l 把调整电压加至同相输入端：把调整电压加至同相输入端：调整电压调整电压ua的大小由下式计算：的大小由下式计算：URRRua545 NR1R3R2R5RPuiuo-15V+15VR4Uua为了使为了使R5两端产生的电压不影响其他回路两端产生的电压不影响其他回路，R5尽可能取小些尽可能取小些3 3、输入失调电压、输入失调电流的调整、输

9、入失调电压、输入失调电流的调整内部调整法：内部调整法：许多线性集成运算放大器有失调调整许多线性集成运算放大器有失调调整的端子的端子内部调整法：内部调整法：许多线性集成运算放大器有失调调整许多线性集成运算放大器有失调调整的端子的端子LM741，补偿网络第二节第二节 测量放大电路测量放大电路测量放大电路：测量放大电路：l 在测量控制系统中，在测量控制系统中， 用来放大传感器输出的微弱电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压、电流或电荷信号的放大电路l 也称仪用放大电路也称仪用放大电路( (仪表放大器仪表放大器) )测量放大电路的结构形式测量放大电路的结构形式l 由传感器的类型决定

10、的由传感器的类型决定的第二节第二节 测量放大电路测量放大电路例如，例如，电阻应变式传感器通过电桥转换电路输出电压信号，电阻应变式传感器通过电桥转换电路输出电压信号， 因此电桥放大电路就是其测量放大电路因此电桥放大电路就是其测量放大电路光电池、光敏电阻、盖格粒子计数器，由于它们的光电池、光敏电阻、盖格粒子计数器，由于它们的输出电阻很高，可视为电流源，此时测量放大电路输出电阻很高，可视为电流源，此时测量放大电路即为微电流放大电路即为微电流放大电路第二节第二节 测量放大电路测量放大电路测量放大电路的频带宽度由被测参数的频率范围及测量放大电路的频带宽度由被测参数的频率范围及其载波信号频率决定其载波信号

11、频率决定被测参数的频率，可以是直流，也可以是超高频被测参数的频率，可以是直流，也可以是超高频 被测信号的频率范围越宽，测量放大电路的频被测信号的频率范围越宽，测量放大电路的频带也应越宽带也应越宽一、基本要求与类型一、基本要求与类型1 1、基本要求、基本要求（1）输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配（2）稳定的放大倍数（3）低噪声（4）低的输入失调电压和输入失调电流，低的漂移（5）足够的带宽和转换速率(无奇变地放大瞬态信号)（6）高共模输入范围(如达几百伏)和高共模抑制比（7）可调的闭环增益（8）线性好、精度高（9）成本低一、基本要求与类型一、基本要求与类型测量放大电路是一种综合指标很好的高性能放大

12、电路 一、基本要求与类型一、基本要求与类型2 2、类型、类型l 按测量放大电路的结构原理可分为 差动直接藕合式、调制式和自动稳定式三大类l 按元件的制造方式可分为 分立元件结构形式、通用运放组成形式和单片集成测量放大器三种二、基本放大电路二、基本放大电路1 1、反相放大电路、反相放大电路NR1R3R2 uiuol优点：优点：性能稳定性能稳定l缺点：缺点：输入阻抗比较低输入阻抗比较低l可满足一般场合要求可满足一般场合要求i12ouRRu uo反相放大电路改进型反相放大电路改进型i125uRRu 优点：优点：有较高的输入阻抗，又可取得足够的增益有较高的输入阻抗，又可取得足够的增益NR1R3R2 u

13、iuoR4R5 u55545250RuRuuRuo i245412ouRRRR1RRu)( 二、基本放大电路二、基本放大电路2 2、同相放大电路、同相放大电路特点：特点：输入阻抗高，有较大共模输入，易受干扰，精度不是很输入阻抗高，有较大共模输入，易受干扰，精度不是很高高i12o)uRR1(u NR3R1R2uiuo 3211iiKZZRRR式中：Zi 运算放大器开环输入阻抗 K 运算放大器开环增益二、基本放大电路二、基本放大电路跟随器跟随器( (同相放大器，同相放大器，Kf=1)Kf=1)电阻电阻R1、R2是平衡电阻是平衡电阻目的是为了消除运算放大器的输入偏置电流的影响目的是为了消除运算放大器

14、的输入偏置电流的影响如果运放本身的输入限抗足够高（输入偏置电流足够小）或对电路输出的零点偏如果运放本身的输入限抗足够高（输入偏置电流足够小）或对电路输出的零点偏移要求不高时，可以省略这两个电阻移要求不高时，可以省略这两个电阻有现成的跟随器，有现成的跟随器，MAX4074，OPA2082等等等等NR1R2uiuo电流为0二、基本放大电路二、基本放大电路3 3、基本差动放大电路、基本差动放大电路2oA1Ai1Ru-uRu-u 特点：特点：有利于抑制共模干扰和减小温度漂移有利于抑制共模干扰和减小温度漂移NR1R3ui1uoR2R4ui2 UAi2434AuRRRu 二、基本放大电路二、基本放大电路3

15、 3、基本差动放大电路、基本差动放大电路i112i2144321ouRRuRRRRRRu NR1R3ui1uoR2R4ui2 UAKRRRRRRRR12144321 KRRRR3412 条件二、基本放大电路二、基本放大电路3 3、基本差动放大电路、基本差动放大电路)uu(RRui1i212o NR1R3ui1uoR2R4ui2 UAKRRRR3412 条件五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压( (包括包括干扰电压干扰电压) )共模电压常采用差动输入集成运算放大器来抑制共模电压常采用差动输入集成运算放大器来抑

16、制一般运算放大器共模抑制比可达一般运算放大器共模抑制比可达80dB80dB采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达共模抑制比可达100-120dB100-120dB五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (一一) )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1 1、反相串联结构型、反相串联结构型两路信号在此处叠加( (一一) )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1 1、反相串联结构型、反相串联结构型2561461225614612)()(iiiiouRRuRRRRuRRuRRRRu564612

17、RRRRRR即即R2/R1=R4/R5，共模信号得到了抑制，共模信号得到了抑制当时，共模电压引起的输出电压为0五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (一一) )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1 1、反相串联结构型、反相串联结构型由此可见：由此可见：这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低关，但电路的输入阻抗低通常，为了使通常，为了使uiluil、ui2ui2负载相同，也取负载相同，也取R1=R5R1=R5，则，则R2=R4R2=R4五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (一一

18、) )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 2、同相串联结构型、同相串联结构型312421121)1(RuuRuuuRRuoiioio 2 2、同相串联结构型、同相串联结构型13412234).(1()1(iiouRRRRuRRu可将上式改写为可将上式改写为:输入共模电压输入共模电压:输入差模电压输入差模电压:221iiicuuu 12iiiduuu idicouRRRRRRuRRRRu)21(21)1(3142343142 2 2、同相串联结构型、同相串联结构型RRRRRRf 3421idicouRRRRRRuRRRRu)21(21)1(3142343142 这种电路采用了

19、两个同相输入的运算放大器，因而具有这种电路采用了两个同相输入的运算放大器，因而具有极高的输入阻抗极高的输入阻抗为了获得为了获得“零零”共模增益，上式等号右边第一项必须为零，共模增益，上式等号右边第一项必须为零，一般可取：一般可取： 此时，电路的差动闭环增益为：此时，电路的差动闭环增益为：RRKfd 1五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (二二) )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目前广泛应用的高共模抑制比放大电路目前广泛应用的高共模抑制比放大电路( (二二) )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11112222RuuRuuRuuIoiPii

20、ioR 2111112222)1()1(iPiPoiPiPouRRuRRuuRRuRRu)(1(122112iiPoouuRRRuu ( (二二) )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)(1()(1221351235iiPooouuRRRRRuuRRu 如设如设R5/R3=R6/R4，有：，有：ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (二二) )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l 当当N1N1、N2N2性能一致时，输入级的差动输出及其差性能一致时

21、，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，共模输出、失调及模增益只与差模输入电压有关，共模输出、失调及漂移均在漂移均在RpRp两端相互抵消。因此电路具有良好的两端相互抵消。因此电路具有良好的共模抑制能力共模抑制能力l 为了消除为了消除N1N1、N2N2偏置电流等的影响，通常取偏置电流等的影响，通常取R1=R2R1=R2。调节。调节RpRp可改变增益，而不破坏电路的对可改变增益，而不破坏电路的对称性称性l 如果如果N1N1、N2N2的共模抑制比不相等，将会引入附加的共模抑制比不相等，将会引入附加的共模误差，使电路共模抑制能力下降的共模误差，使电路共模抑制能力下降五、高共模抑制比放大电路

22、五、高共模抑制比放大电路( (二二) )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l N3N3输出级的输入电阻不匹配，也会引起共模误差。输出级的输入电阻不匹配，也会引起共模误差。因此为了获得高的共模抑制比，必须选取的因此为了获得高的共模抑制比，必须选取的N3N3具具有高的共模抑制比有高的共模抑制比l 同时精选外接电阻，尽量使同时精选外接电阻，尽量使R3=R4R3=R4、R5=R6,R5=R6,精度精度应控制在应控制在0.1%0.1%内内l 通常将输入级的增益通常将输入级的增益KdKd设计得大些，输出级的增设计得大些，输出级的增益益Kd3Kd3设计得小些设计得小些l 这种电路由于这种电

23、路由于N1N1、N2N2的隔离作用，输出级的外部的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比提高整个电路的共模抑制比五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路( (二二) )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l 电路的共模抑制比电路的共模抑制比CMRR120dBCMRR120dBl 共模输入电压范围为共模输入电压范围为+6+6-10V-10Vl 总增益总增益1 11000(Rp1000(Rp为几十至几百欧姆为几十至几百欧姆) )l 如果在如果在N3N3的两输入端之间接入的两输入端

24、之间接入R7R7、R8R8和和Rp1Rp1共模共模补偿电路，如图中虚线所示，通过调节补偿电路，如图中虚线所示，通过调节Rp1Rp1则可补则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比3 运放仪表放大器来历先来看如下我们很熟悉的差分电路：如果R1=R3，R2=R4，则VOUT = (VIN2-VIN1)(R2/R1)这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号, 但它也有些缺陷首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 k，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 k。因此，当电压施

25、加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。)另外，这一电路要求电阻对R2/R1和R4/R3的比值匹配得非常精密否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便下降到66 dB(2000:1)。同样，如果源阻抗有 100 的不平衡将使CMR下降 6 dB输入端增加跟随器为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高以提高输入阻抗输入阻抗 如下图所示：将跟随器改为同相放大器以上前置的两个运放作为

26、电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下所示： 输出电压表达式如右图所示 右图所示的电路增加增益(A1和 A2)时，它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益 也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加奇妙的变化开始最巧妙的变化了！看电路先：特点（1）这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进像前面的电路一样，上图中A1和A2运算放大器缓冲输入电压然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器电路的R6和R7由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端

27、因为输入电压经过放大后(在A1和A2的输出端)的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整特点（2）一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求 如果R5 R6，R1 R3和R2 R4，则VOUT = (VIN2VIN1)(12R5/RG)(R2/R1) 由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1和A2获得增益并得到放大 然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流 由于没有电流流过RG(也就无电流流过R5和R6)，放大

28、器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作 因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按1(2 RF/RG)的增益系数被放大 这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了1(2 RF/RG)倍！特点（3）理论分析表明，用户可以得到所要求的前端增益(由RG来决定)，而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率增益(差分输入电压)/(共模误差电压)将增大 因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性特点（4） 最后，由于结构上的对称性，输入放大级的共模误差，将被输出级的减法器消除 这包括诸如共模抑制比随频率变换的误差 上述这些

29、特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释 到这里，我们导出了这个经典电路的来龙去脉：差分放大器-前置电压跟随器-电压跟随器变为同相放大器-三运放组成的仪用放大器六、电桥放大电路六、电桥放大电路l 电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式电参量式传感器，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而输出电压或电传感器等，经常通过电桥转换电路而输出电压或电流信号流信号l 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路 l 由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路电路l 电桥放大电路有单端输入和差动输

30、入两类电桥放大电路有单端输入和差动输入两类六、电桥放大电路六、电桥放大电路( (一一) )单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路六、电桥放大电路六、电桥放大电路( (一一) )单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路uZZZZZZuab)(313424 由于电桥电源由于电桥电源u是浮置的，所以是浮置的，所以u在在R1和和R2中无电流通过中无电流通过因因a点为虚地，故点为虚地，故uo反馈到反馈到R1二端的电压也一定是二端的电压也一定是-uab，即，即: 传感器电桥接至运算放大器的反相输入端，传感器电桥接至运算放大器的反相输入端，电桥对角线电桥对角线a,b两端的开路输出电压两端的开路输出电压ua

31、b为为:abouuRRR 211uZZZZZZZZRRuZZZZZZRRuo)()1()(1(423141321231342412 21.4).1(12uRRuo若令若令Z1=Z2=Z4=R， Z3=R(1+)，为传感器电阻的相对变化率：为传感器电阻的相对变化率： =R/R则有则有:同相输入，输出同相输入，输出uo的计算公式与式上式相同，只是同相输出符号相反的计算公式与式上式相同，只是同相输出符号相反六、电桥放大电路六、电桥放大电路单端输入电桥放大电路一般总结：单端输入电桥放大电路一般总结：单端输入电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关，单端输入电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定增益比较

32、稳定电桥电源一定要浮置电桥电源一定要浮置输出电压输出电压u uo o与桥臂电阻的相对变化率与桥臂电阻的相对变化率 是非线性是非线性关系关系只有当只有当1R时时:10RuuRuRuuoaaa 22221111uuRRRuRRRuRRRuooa 2)1(RuRuRuubbb uRRuub 21122bauu 4)2/(1)21(1uRRuo 电路的非线性电路的非线性只有当只有当11, K1K21，所以所以1121212212111OSOSOSOSOSCUKUUKKUKUKKU 可见，电容可见，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Uos1( (二二) )自动调零放大电路自

33、动调零放大电路(2)(2)当时钟发生器当时钟发生器N N3 3输出低电平输出低电平 S Salal、S Sa2a2断开，断开，S Sblbl、S Sb2b2接通，接通，电路处于信号放大状态，电路处于信号放大状态， 其其等效电路见图等效电路见图c c U Ui i经经N N1 1放大后，输出放大后，输出U Uo o为为: :UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出1211112)(RRUKUURRUUiOSCiO 该电路通过交替的调零该电路通过交替的调零/放大，实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的放大，实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的目的上一状态寄存的Uos1( (二二

34、) )自动调零放大电路自动调零放大电路特点：特点：自动调零放大电路的性能优于斩波稳零放大电路，自动调零放大电路的性能优于斩波稳零放大电路，输出电压较稳定，波动小输出电压较稳定，波动小与普通放大电路相比，其失调和低频干扰降低了与普通放大电路相比，其失调和低频干扰降低了三个数量级三个数量级这种电路用一块四运放这种电路用一块四运放( (如如LF347,LM324,5G14573LF347,LM324,5G14573等等) )和一块和一块4 4位模拟开位模拟开关关(CD4066)(CD4066)即可组成，电路成本低即可组成，电路成本低七、稳零放大电路七、稳零放大电路( (三三) )低漂移集成运算放大器

35、低漂移集成运算放大器1 1、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简称简称CAZCAZ运算放大器，运算放大器， 是一种运放组合器件是一种运放组合器件p什么是什么是CAZ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器的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号放大和自动校零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两种不同的状态( (三三) )低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器1 1、轮换自动校零集成运算放大器、轮

36、换自动校零集成运算放大器输出C1G输入 C2+输入 输出 R2-+N1-+N2R2C1GR2输入 -+N1-+N2R2+输入 a) N2处于自动校零状态b) N1处于自动校零状态C21 1、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 通过模拟开关通过模拟开关( (图中未画出图中未画出) )的切换，使内部两个性能一致的的切换，使内部两个性能一致的运算放大器运算放大器N1N1、N2N2交替地工作在信号放大和自动校零两种交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态不同的状态 图中图中G G为自动校零输入端，必须接至系统的零线，使放大器为自动校零输入端，必须接至系统的零线，使放大器在自动校

37、零时无信号输入在自动校零时无信号输入1 1、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（1 1）若若N N1 1处于信号放大状态，处于信号放大状态，N N2 2则处于自动校零状态，如图则处于自动校零状态，如图a a所示。所示。 此时此时N N2 2的反相输入端外接电容器的反相输入端外接电容器C2C2，同相输入端，同相输入端接系统地，接系统地，N2N2无信号输入，因此无信号输入，因此C2C2寄存了寄存了N2N2的输入失调和的输入失调和低频瞬时干扰电压，称为低频瞬时干扰电压，称为校正电压校正电压（2 2）若若N2N2转换成信号放大状态时，转换成信号放大状态时，N1N1则处于自动校零状态

38、，则处于自动校零状态，如图如图b b所示。所示。 此时电容器此时电容器C2C2串接于输入信号与串接于输入信号与N2N2同相输入同相输入端之间，寄存于端之间，寄存于C2C2的校正电压就抵消了的校正电压就抵消了N2N2的输入失调和低的输入失调和低频瞬时干扰电压，达到自动校零目的，频瞬时干扰电压，达到自动校零目的，N2N2输出放大了的输输出放大了的输入信号入信号 同时，同时，N1N1反相输入端的外接电容器反相输入端的外接电容器C1C1寄存了其输入失调和寄存了其输入失调和低频瞬时干扰电压。在低频瞬时干扰电压。在N1N1转换成信号放大状态时转换成信号放大状态时( (见图见图a)a)，其校正电压起自动校零

39、作用，其校正电压起自动校零作用，N1N1输出放大了的输入信号输出放大了的输入信号1 1、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 由于集成电路中两个放大器轮换工作，因此始终保持有一个由于集成电路中两个放大器轮换工作，因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出运算放大器对输入信号进行放大并输出 输出稳定，性能优于由通用集成运算放大器组成的低漂移放输出稳定，性能优于由通用集成运算放大器组成的低漂移放大电路大电路 它对共模电压无抑制作用它对共模电压无抑制作用八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路l 有些传感器有些传感器( (如电容式，压电式如电容式，压电式) )的输出阻

40、抗很高，的输出阻抗很高，可达可达10108 8 以上以上l 要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (一一) )高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器p采用采用MOS-FETMOS-FET作为输入级的集成运算放大作为输入级的集成运算放大器，器， 如如CA3140CA3140、CA3260CA3260等，它们的输入等，它们的输入阻抗高达阻抗高达l.5xl0l.5xl06 6MMp采用采用FETFET作为输入级的，如作为输入级的，如LF356/ALF356/A、LF4l2LF4l2、LM310LM310等集成

41、运算放大器的输入阻等集成运算放大器的输入阻抗为抗为l0l06 6MM，它们与采用，它们与采用MOS-FETMOS-FET输入级输入级的放大器相比，性能稳定且不易损坏的放大器相比，性能稳定且不易损坏pCMOSCMOS型运算放大器，型运算放大器，ICL7613ICL7613、ICL7641B/CICL7641B/C输入阻抗约为输入阻抗约为l0l06 6M M 八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (一一) )高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器p高输入阻抗集成运算放大器安装在印制电路高输入阻抗集成运算放大器安装在印制电路板上时，会因周围的漏电流流入高输入阻抗板上时，会因周围的

42、漏电流流入高输入阻抗而形成干扰而形成干扰p通常采用屏蔽方法抗此干扰通常采用屏蔽方法抗此干扰即在运算放大器的高阻抗输入端周围用导即在运算放大器的高阻抗输入端周围用导体围住，构成屏蔽层，并把屏蔽层接到低体围住，构成屏蔽层，并把屏蔽层接到低阻抗处，如图所示阻抗处，如图所示八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (一一) )高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，从而防止了漏电流的流入屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，从而防止了漏电流的流入八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 a)a)

43、同相交流放大电路同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3-+ui八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 b)b)交流电压跟随电路交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路图图a a是交流放大电路，是交流放大电路， 图图b b是交流跟随电路是交流跟随电路由于它们的同相输入端接有隔直电容由于它们的同相输入端接有隔直电容C1C1的放电电阻的放电电阻R(R(图中为图中为R1+R2)R1+R2)，因此电路的输入电阻在没有接

44、入，因此电路的输入电阻在没有接入电容电容C2C2时将减为时将减为R R为了使同相交流放大电路仍具有高的输入阻抗，可为了使同相交流放大电路仍具有高的输入阻抗，可采用反馈的方法采用反馈的方法通过电容通过电容C2C2将运算放大器两输入端之间的交流电压将运算放大器两输入端之间的交流电压作用于电阻作用于电阻R1R1的两端的两端运算放大器两输入端是虚短的运算放大器两输入端是虚短的( (即近似等电位即近似等电位) )， 因因此此R1R1两端等电位，没有信号电流流过两端等电位，没有信号电流流过R1, R1, 故对交流故对交流而言，而言，R1R1可看作无穷大可看作无穷大八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电

45、路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路自举电路：自举电路： l 利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小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向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路称为自举电路称为自举电路八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 c)c)自举组合电路自举组合电路iooiouuRRuuRRu2231213 uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)iiiiioiuRRRRRuuRuRuuRuiii2112212

46、21212 八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路c)c)自举组合电路自举组合电路uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)1212RRRRiuRii 输入电阻：输入电阻： 当当R2=R1R2=R1时：输入电阻无穷大时：输入电阻无穷大 八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路当当R2=R1R2=R1时：时： l N1N1的输入电流的输入电流i1i1将全部由将全部由N2N2电路的电流电路的电流i2i2所提供，所提供， 输入回路无电流，输入阻抗为无穷大输入回路无电流，输入阻抗为无穷大l 实际上，实际上

47、，R2R2与与R1R1之间总有一定的偏差。当偏差不大之间总有一定的偏差。当偏差不大时，若时，若(R2-R1)/R2(R2-R1)/R2为为0.01%0.01%、R1=10kR1=10k时，则输入时，则输入电阻仍可高达电阻仍可高达100M100Ml 如运算放大器偏离理想放大器，也会使输入阻抗有如运算放大器偏离理想放大器，也会使输入阻抗有所下降所下降八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路( (二二) )自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路应该指出的是，测量放大电路的输入阻抗越高，输应该指出的是，测量放大电路的输入阻抗越高，输入端的噪声也越大入端的噪声也越大因此，不是所有情况下都要

48、求放大电路具有高的输因此，不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗，而是应该与传感器输出阻抗相匹配，使测入阻抗，而是应该与传感器输出阻抗相匹配，使测量放大电路的输出信噪比达到最大值量放大电路的输出信噪比达到最大值八、单片集成测量放大器八、单片集成测量放大器l 如如AD521、AD522、LH0038、LM363、INA101 l 使用方便，体积小，无需为组装而精确挑选性能匹使用方便，体积小，无需为组装而精确挑选性能匹配良好的几个集成运算放大器，综合性能指标好配良好的几个集成运算放大器，综合性能指标好八、单片集成测量放大器八、单片集成测量放大器AD521l 共模抑制比为共模抑制比为120dB

49、l 输入阻抗为输入阻抗为3109l 输入端可承受输入端可承受30V的差动输入电压的差动输入电压l 有较强的过载能力，不需要精密匹配外接电阻，有有较强的过载能力，不需要精密匹配外接电阻，有优良的动态特性优良的动态特性l 增益带宽达增益带宽达40MHz八、单片集成测量放大器八、单片集成测量放大器LH0038(美国国家半导体公司产品美国国家半导体公司产品)l 精密测量放大器，能放大热电偶和低阻抗应变电桥精密测量放大器，能放大热电偶和低阻抗应变电桥等输出的极低电平信号等输出的极低电平信号l 低失调，约低失调，约25uVl 低漂移低漂移, 0.25uV/l 高共模抑制比高共模抑制比八、单片集成测量放大器

50、八、单片集成测量放大器AD612 l 高精度、高速度的测量放大器，能在恶劣的环境条 件下工作l 具有很好的交直流特性。内部电路结构如下页图l 有两种增益状态，即二进制增益状态和通常增益状态l 图a二进制增益是利用内部精密薄膜电阻网络实现的， 增益温漂范围为10-6/八、单片集成测量放大器八、单片集成测量放大器AD612 AD612 l 当当N2的反相端的反相端(引脚引脚 2)和精密电阻网络的各引出端和精密电阻网络的各引出端(引脚引脚3-12)与与N1反相端反相端(引脚引脚1)彼此互不相连时彼此互不相连时,相当于相当于Rp为无穷大，为无穷大，电路总增益电路总增益Kf = 1l 当精密电阻网络引出

51、脚当精密电阻网络引出脚3-10分别与引脚分别与引脚1相连时，根据前式相连时，根据前式可得，增益从可得，增益从21-28按二进制改变按二进制改变l 引脚引脚10、11、1互相连接时，增益为互相连接时，增益为29l 引脚引脚10、11、12、1互相连接时，增益为互相连接时，增益为210l 如果在引脚如果在引脚1、2 与引脚与引脚3-12之间加上多路模拟开关，就成之间加上多路模拟开关，就成为可编程增益放大电路为可编程增益放大电路l 其引脚其引脚15通过跟随器接传感器电缆的屏蔽层，即在屏蔽层通过跟随器接传感器电缆的屏蔽层，即在屏蔽层上加共模电压，可提高共模抑制比，降低输入噪声上加共模电压，可提高共模抑

52、制比，降低输入噪声AD612 l 图图b是是AD612集成测量放大器与传感器电桥连接的接线图集成测量放大器与传感器电桥连接的接线图l 图图b 信号地需和电源地相连，使放大器的偏置电流形成通信号地需和电源地相连，使放大器的偏置电流形成通路。引脚路。引脚1、3 短接时，电路增益为短接时，电路增益为2。引脚。引脚21和和 22外接外接100k电位器，用来调整失调。电容电位器，用来调整失调。电容C用来防止电路产生自用来防止电路产生自激振荡激振荡AD612 第四节第四节 隔离放大电路隔离放大电路隔离放大电路的输入、输出和电源电路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主要用于便携式测量

53、仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在有安全与要求、高噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号一、基本原理一、基本原理1 1、组成及符号、组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso2 2、原理框图、原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源线性光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV二、通用隔离放大电路二、通用隔离放大电路1 1、AD277AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出

54、屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N2二、通用隔离放大电路二、通用隔离放大电路1 1、AD277AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器235L电源904510增益微调用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路10k10k1k235L电源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C0.1F2 2、互补式光电耦合放大电路、互补式光电耦合放大电路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(

55、R5+ Rp)uo=(R5+ Rp) ui/R1-+N1C10VVLC1i1R210V10VVLC2i2R3R1ui10VuoR5-+N2R43.9kRp二、通用隔离放大电路二、通用隔离放大电路三、程控增益隔离放大电路三、程控增益隔离放大电路R4D1D2RRAD27715VV1V2Uo514169101123输入放大器15V12R190901191021414CD405312136853R2R390990.910.1167输出R15V15VFD333FD33324k7.5V24k5107.5V1547k47k7.5V7.5V5107.5VR(1+)2k1N7557.5V1N7552k7.5V7

56、.5Vthe end第三节第三节 增益调整以及线性化电路增益调整以及线性化电路增益调整电路：增益调整电路：既能方便地调整增益和切换量程既能方便地调整增益和切换量程又不降低放大电路共模抑制比的专门电路又不降低放大电路共模抑制比的专门电路有手动、自动和程控三种方法有手动、自动和程控三种方法 线性化电路线性化电路: :将传感器或通过转换放大电路后的输入输出非线性将传感器或通过转换放大电路后的输入输出非线性关系进行线性化关系进行线性化并将非线性误差限制在一定范围内的专门电路并将非线性误差限制在一定范围内的专门电路一、增益调整电路一、增益调整电路1 1、手动增益调整电路图、手动增益调整电路图1 1、手动

57、增益调整电路图、手动增益调整电路图21uu 24342421220RuRuuRuuRuuPi )(1(212212iiPouuRRRRu 2343231111RuuRuuRuuRuuoPi 一、增益调整电路一、增益调整电路1 1、手动增益调整电路图、手动增益调整电路图只要改变只要改变RPRP就能改变电路增益，且不破坏原有的就能改变电路增益，且不破坏原有的共模抑制比共模抑制比RPRP与增益之间是非线性函数关系，因此仅用于调与增益之间是非线性函数关系，因此仅用于调整范围小于整范围小于10%10%的场合的场合一、增益调整电路一、增益调整电路2 2、自动增益切换电路、自动增益切换电路l 增益自动切换是

58、根据输入信号的大小，增益自动切换是根据输入信号的大小， 自动改变自动改变放大器反馈电阻或输入回路衰减电阻的方法来实现放大器反馈电阻或输入回路衰减电阻的方法来实现的的2 2、自动增益切换电路、自动增益切换电路2 2、自动增益切换电路、自动增益切换电路二、可编程增益放大电路二、可编程增益放大电路 l 增益通过数字逻辑电路由程序来控制增益通过数字逻辑电路由程序来控制 l 这种电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益这种电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益放大电路放大电路l 简称简称PGA PGA l 分类分类按所采用的放大器可分为单运放、多运放以及测按所采用的放大器可分为单运放、多运放以及测量放

59、大器可编程增益放大电路和单片集成可编程量放大器可编程增益放大电路和单片集成可编程增益放大器增益放大器按输出信号可分为模拟式和数字式可编程增益放按输出信号可分为模拟式和数字式可编程增益放大电路大电路二、可编程增益放大电路二、可编程增益放大电路 ( (一一) )通用运放可编程增益放大电路通用运放可编程增益放大电路 由多路模拟开关和通用集成运算放大器构成由多路模拟开关和通用集成运算放大器构成 通过开关的通断改变通过开关的通断改变N N的并联反馈电阻，来的并联反馈电阻，来实现增益程控实现增益程控 结构简单结构简单 开关导通电阻将影响开关导通电阻将影响电路的精度电路的精度 开关分布电容形成的开关分布电容

60、形成的切换尖峰影响电路的切换尖峰影响电路的稳定可靠和工作速度稳定可靠和工作速度 仅用于低增益和低精仅用于低增益和低精度的场合度的场合通过控制开关将不同通过控制开关将不同增益的放大单元接增益的放大单元接到输出线上到输出线上 开关导通电阻开关导通电阻 和分布和分布电容对放大电路的电容对放大电路的精度和工作速度无精度和工作速度无影响影响放大单元多，成本高，放大单元多，成本高，调试困难调试困难通过控制开关通过控制开关 串接入不同个数的放大单元以得到串接入不同个数的放大单元以得到 不同的增益，不同的增益，各放大单元的增益可以相同也可以不同各放大单元的增益可以相同也可以不同二、可编程增益放大电路二、可编程