第二章信号放大电路ppt课件

1、第二章 信号放大电路 第一节 运算放大器的误差及其补偿 一、实际运放的特性 1差模开环直流电压增益 （差模增益Aod ） 当运放工作于线性区时，输出电压(U0 )的变化与差模电压(Ui)的变化的比值，称为差模开环电压增益。一般运放的差模开环直流电压增益在90100dB之间。第一块集成运放电路是美国仙童fairchild公司发明的A741，在60年代后期广泛流行。 实际运放的差模开环增益是频率的函数，手册中给出的均指直流或低频的开环电压增益。 0odAiduu20lgodGeA2共模抑制比 KCMR=差模增益Aod/共模增益Aoc 当运放工作于线性区时，其差模电压增益与共模电压增益的比值。共模抑

2、制比是一个极为重要的指标，它表示抑制差模输入中的共模干扰信号的能力。由于共模抑制比很大，也采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80120dB之间。 共模抑制比也是频率的函数，手册中给出的均指直流或低频的指标。 3共模增益 当运放工作于线性区时，在输出电压的变化u0与共模电压的比值。4输入阻抗0ocAicuu 指差模输入阻抗，当运放工作于线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流的变化量之比。采用双极型晶体管作输入级的运放，其输入电阻在几十千欧到几兆欧；而场效应管作输入级的运放，其输入电阻通常大于109欧。 5) 输出阻抗 在线性工作状态时，输出阻抗极低，可以忽略对负载的影响。当

3、工作在非线性状态时，运放的输出电阻阻抗将对电路的性能产生较大的影响。 6) 开环带宽 开环电压增益由直流下降3db所对应的信号频率称为开环带宽。普通的运放的开环带宽只有几kHZ到几十kHZ，在需要处理的信号的频率较高时，一定要选用宽带放大器。rail-rail 轨到轨满摆幅的意思 ），单电源供电，低功耗，小封装，低噪声等application.weeqoo/2021/11/2008111194932149012.html模拟技术：实际放大器需要考虑的问题 i di diuZin二、失调及其补偿n1) 输入偏置电流(bios)n 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。输入偏置电

4、流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。 n2输入失调电流(offset) I0sn 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。输入失调电流反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。n 输入失调电流是运放的一个十分重要的指标。输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻，输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。n输入失调电流温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。3) 输入失调电压 u0s 集成运

5、放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。 输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性。 输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。 输入失调电压与制造工艺有关，其中双极型工艺的输入失调电压在110mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。4输入失调电压和电流的影响利用Vp=Vn,可得Vo为若R2=R1/Rf,那么结论：1、为减小输入失调电流和电压的影响，反馈电阻Rf不能取的太大2、增益越大，输入失调电压和

6、电流的影响就越大3、平衡电阻R2=R1/Rf的取法是为了消除输入偏置电流的影响 三、转换速率 转换速率也称为压摆率SR 在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号时，运放输出电压的最大变化率称为转换速率。 在设计具有阶跃形式的信号放大、驱动电路时，必须考虑运放的压摆率。四、振荡与相位补偿 参见模拟电路中负反馈电路的稳定性章节。一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？一、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、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

7、。大电路，亦称仪用放大电路。2、对其基本要求：、对其基本要求：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；一定的放大倍数和稳定的增益；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低噪声；第二节 典型测量放大电路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。3、测量放大电路的类型 运算放大器的两个工作区域形状）运算放大器的两个工作区域形状）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=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放

8、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运放基础运放基础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！3. 线性区线性区 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不

9、 足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。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

10、+=ii-=0）4. 非线性区正、负饱和输出状态）非线性区正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：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！二、反相放大器二、反相放大器1、基本形式、基本形式目的：目的：Kf= uo / ui = R2 / R1Ri=R1 R3= R1 / R2特点：输入阻抗低特点：输入阻抗低 性能稳定性能稳定 共模误差小共模误差小设计设计:R1的选取的选取uoR3uiR1R2-+N12、反相放大器的实用形式C1：隔直电容C2：旁路电容，防止振荡R3uiR1R2-+N1C1C2uo三、同相放大器1、基本形式目的：Kf= uo / u

11、i = 1+R2 / R1Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 R3= R1 / R2特点：高输入阻抗 精度低 易受干扰设计：提供输入偏置电流通路 uoR3uiR1R2-+N12、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-+N1C13、交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流的影响，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1四、基本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

12、信号的共模成分。差动放大器 基本电路 共模与差模输入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic差动放大器uid= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2由电路可得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高共模抑制比）假设只有共模信号作用时当R1=R2，R3=R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分差模输入阻抗=2R1R3uoR4Ui2R1-+N1R2Ui1五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路 什么是高共模抑制比放

13、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扰电压的放大电路称为高共模抑制比放大电路。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应用于要求共模抑制比大于100dB的场的场合，例如人体心电测量。合，例如人体心电测量。 1、反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，（使信号源的负载相同）R2=R4输入阻抗低u i2ui1 R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-

14、+N1-+N22、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优点：输入阻抗高缺乏：非对称处理ui1、ui2，导致一个信号延时。这样当f上升时，两个输入信号的共模分量不会再相抵消，导致共模抑制比大大下降！uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N13、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=u

15、i2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1)R5 /R3uo =(ui2ui1) 1+（R1+R2)/Rp R5 /R3Uo与Rp是非线性关系ui1ui2uo1u o2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3高输入阻抗缓冲级共模补偿电路补偿电阻的不对称目的？特点： 高输入阻抗 前级电路不需匹配电阻 共模抑制比=120dB 增益非线性可调节不影响共模抑制比）4、有源屏蔽驱动电路什么是有源屏蔽驱动电路？ ua =uic (1/jC1 ) / Rs1+1/jC1= uic /(1+jC1 Rs1 ) ub =uic (1/jC2 ) / Rs2+

16、1/jC2= uic /(1+jC2 Rs2 ) 当Rs1 C1 Rs2 C2时， ua ub；共模信号产生了差模输入。 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1 1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。差 动放大器uoabuicu i1u i2RS1R S2C1C2auicRS1C1屏蔽电缆高通？低通？+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N3应用于何种场

17、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、压阻传感器和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。电感传感器等组成的高精度测控系统中。1：1的共模电压六、电桥放大电路六、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。都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电感式、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，经常通过电阻应变

18、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。放大了的电压信号。 uab =Z4/(Z2+Z4)-Z3/(Z1+Z3 )uuo/(R1+_R2)= -uab /R1uo = -Z4/(Z2+Z4)-Z3/(Z1+Z3 )u(1+ R2/ R1)若若Z1 = Z2 = Z4 =R, Z3 = R(1+) uo = (1+ R2/ R1) u*/4(1+ /2)可见：可见： 增益与桥臂

19、电阻无关增益与桥臂电阻无关 输出电压与电阻的变化率为非输出电压与电阻的变化率为非线性关系线性关系Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na) 反相输入（一单端输入电桥放大电路R+RR2R1uoRRRu-+Nb) 同相输入（二差动输入电桥放大电路uo = (1+ 2R1/ R) u*/4(1+ /2)特点：电路的增益不是常数 输出电压与电阻的变化率为非线性关系 当桥臂电阻与R的温度系数不同时增益也不稳定浮置电源：浮置就是不要把电源回路接地，无论正负极、中点，或交流的任何一相、中性点等，这样电源两极对地阻抗是一样的，而干扰信号一般是对地的，这样浮置的回路对干扰就是对称的，干扰就因对回路是共轭的而被

20、对消。 -+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR（三线性电桥放大电路ua =u0 R1/（R1+R2)+u R2/（R1+R2)ub =uR3/（R1+R3)u0 = u （R3-R2)/（R1+R3)当R3=Ru0 =-R u /（R1+R)uoR3R2 = R1+）R1uuaR1ub-+N七、低漂移放大电路稳零放大电路）七、低漂移放大电路稳零放大电路）自动调零放大电路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1自动调零放大电路-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiS b1R1#-+N4a) 电路原理图UoC1UiR1R2K1-

21、+N1c) 调零放大输出K2C1U C1U o1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持由图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。 Uc1（Uo1U0s2K2 Uo1（U0s1Uc1K1 Uc1 U0s1U0s2/K1 Uc1U0s1电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。K2C1U C1U o1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。 Uo=(R2/R1)Ui U0s1 K1 Uc1K1 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

22、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。UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出2、低漂移单片集成运算放大器1）、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。 CAZ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

23、零状态b) N1处于自动校零状态C22、斩波稳零集成运算放大器ICL7650)内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiS b1S b2S a2C1C2Sa1A1A2UoU o2+-+N1+-+N2+-斩波稳零集成运算放大器误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，闭合，N2两输两输入端被短接，只有输入失调电压入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号和共模信号Uc作用并输作用并输出，由电容出，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

24、和放大阶段：时钟为低电平，校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号闭合，输入信号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，外，在侧向端在侧向端A2还作用着还作用着Uc2，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，达到稳零目的。全部被消除，达到稳零目的。 此时，此时， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 1、高输入阻抗集成运放2、自举式高输入阻抗放大电路a)同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3-+ui八、高输入阻抗电

25、路b)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+c)自举组合电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri i2 = i1 uouii1i2R1iuo22 R1R3R2-+N1-+R3N2c)自举电路何谓自举电路何谓自举电路? 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。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？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。大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。第三节 隔离放大电路什么是隔离放大电路？什么是隔离放大电路？ 隔离放大电路的输入、输出和电源电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。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式测量仪隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统如生物医学人体测量、器和某些测控系统如生物医学人体测量