第二章-信号放大电路

1、中国计量学院中国计量学院第二章第二章 信号放大电路信号放大电路运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿1噪声的基础知识噪声的基础知识2典型测量放大电路典型测量放大电路3隔离放大电路隔离放大电路4中国计量学院中国计量学院一、实际运算放大器及其特性一、实际运算放大器及其特性理想理想0 00 00 0 0 0第一节第一节 运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿实际实际90 90 100 dB100 dB以上以上0 dB0 dB以上以上100K 100K 数百兆数百兆10 10 数百数百0 010Hz10Hz（或（或0 010kHz10kHz）不可能不可能差模增益差模增益k kd d

2、共模增益共模增益k ke e输入电阻输入电阻r ri i输出电阻输出电阻r ro o带宽带宽相移相移中国计量学院中国计量学院二、失调及其补偿二、失调及其补偿v 输入失调电压输入失调电压： 集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压。集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压。 常用代号常用代号 Uos (mV数量级）数量级） Uos随时间和温度而变化随时间和温度而变化零点变动零点变动称为称为零点漂移。零点漂移。v 输出失调电压：输出失调电压： Ui=0，输出不为，输出不为0时输出端的电压时输出端的电压中国计量学院中国计量学院RP接入反相端接入反相端RP接入同相端接入同相端补偿补偿a

3、. 外接失调补偿网络外接失调补偿网络b. 运放常有失调调零端运放常有失调调零端中国计量学院中国计量学院v Op07集成运算放大器集成运算放大器1、8脚之间就是输入失调电压的调零端脚之间就是输入失调电压的调零端中国计量学院中国计量学院中国计量学院中国计量学院v 输入偏置电流输入偏置电流：在标准电源电压及室温下，集成运放输出：在标准电源电压及室温下，集成运放输出电压为电压为0时，两个输入端静电流的平均值。时，两个输入端静电流的平均值。注意：这是使输入级能正常工作所需要的电流（这样后级才能正常工注意：这是使输入级能正常工作所需要的电流（这样后级才能正常工作）作）IBPIBNQ1Q2IO输入偏置电流是

4、提供输入偏置电流是提供OPA动作的原动力动作的原动力)(21BNBPBIII中国计量学院中国计量学院v 输入失调电流输入失调电流： 在标称电源及其室温下，当集成运放的输出电压为在标称电源及其室温下，当集成运放的输出电压为0时，流时，流入放大器两输入端的静态基极电流之差。入放大器两输入端的静态基极电流之差。IBPIBPIBNIBNVEEVCCVOIOS=|IBPIBN|产生原因：实际上无法使产生原因：实际上无法使Q1与与Q2完全对称，完全对称，值不匹配，值不匹配， IBPIBN。中国计量学院中国计量学院v 可采用简单的补偿技术减少输入失调电流在电路中的影响可采用简单的补偿技术减少输入失调电流在电

5、路中的影响uoR3R1R2- -+ + +N1IB1IB2VXVY2121213/RRRRRRR如果如果R3=R1/R2，IB1IB2，则，则VO=R2(IB1IB2)=R2IOS，我们我们应该看到应该看到R2越大，输出失调越大，因此反馈电阻越大，输出失调越大，因此反馈电阻R2能取的能取的太大么？太大么？通常通常R2 =10100K中国计量学院中国计量学院三、运放的振荡与相位补偿三、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，看反馈信号是否消失，将负载电阻短接，看反馈信号是否消失，若消失，则为电压反馈，反之电流反馈。若消失，则为电压反馈，反之电流反馈。X

6、oXiXsXfAAAXXso1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，放大电路也有输出（也有输出（Uo0），通常可以由示波器观），通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。测到输出的振荡波形。一个具有负反馈电路的放大器，只一个具有负反馈电路的放大器，只要要A产生产生180的相位差，即可能的相位差，即可能激发振荡。激发振荡。环路增益的相位环路增益的相位中国计量学院中国计量学院由于一般的由于一般的OPA内部是由内部是由23段的放大器组成，因此段的放大器组成，因此出现三个极点的机会相当多，结果就会发生如图的相出现三个极点的机会相当多，结果就会发生如图的相移情况。移

7、情况。最基本的方法就是把最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来移到更低的频率处来工作。工作。中国计量学院中国计量学院相位补偿：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RC网络，以改变网络，以改变AF的频率响应。的频率响应。uoR3uiR1R2- -+ + +N1C2防止自激振防止自激振荡的荡的C1很多集成运放都有外接相位补偿网络端很多集成运放都有外接相位补偿网络端中国计量学院中国计量学院在高频区将产生附加相移，这就可能使负反馈变为在高频区将产生附加相移，这就可能使负反馈变为正反馈，此时，如反馈深度较深，即正反馈，此时，如反馈深度较深，即 1，就会产，就会产生自激振

8、荡，从而使运放无法稳定地工作。生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。 ViC|A|AO0.1fp10fpRCfp21RC电路波德图电路波德图fo1fo1fo2fo3中国计量学院中国计量学院第二节第二节 噪声的基础知识噪声的基础知识 通常，传感器的输出信号：几毫伏，甚至更小。通常，传感器的输出信号：几毫伏，甚至更小。 放大器输入噪声及其本身噪声，往往大于放大器的输入信号。放大器输入噪声及其本身噪声，往往大于放大器的输入信号。 怎么办？怎么办？ - 需要减小噪声。需要减小噪声。噪声定义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。噪声定义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。 内部的称为噪声，外部的称为干扰。内部

9、的称为噪声，外部的称为干扰。噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每随机的，其瞬时值不能预测，但每HzHz带宽内包含的噪带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。声功率从统计观点看是一个常数。噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。例如接地噪声。有可能是随机的。例如接地噪声。噪声噪声白噪声：白噪声：色噪声：色噪声：中国计量学院中国计量学院 电路中常见的固有噪声：电路中常见的固有噪声：热噪声热噪声散弹噪声散弹噪声低频噪声低频噪声一一. .噪声的种

10、类和性质噪声的种类和性质中国计量学院中国计量学院1.1.热噪声热噪声绝对零度以上的导体绝对零度以上的导体电子都有随机运动，与温度有关。电子都有随机运动，与温度有关。电子随机运动产生很多电流脉冲，均值为电子随机运动产生很多电流脉冲，均值为0 0。 定义：定义： - -导体中电荷载流子的热激振动引起的。导体中电荷载流子的热激振动引起的。 与频率无关，属于色噪声还是白噪声？与频率无关，属于色噪声还是白噪声？电流经电阻后产生噪声电压，方均值电流经电阻后产生噪声电压，方均值 不为零不为零)(2tUt中国计量学院中国计量学院 方均值电压：方均值电压：KTRBtUt4)(2KTRBtUt4)(K玻耳兹曼常数

11、玻耳兹曼常数 K=1.3810-23J/KT绝对温度绝对温度B噪声带宽噪声带宽R导体的电阻或阻抗实部导体的电阻或阻抗实部例如：室温下例如：室温下290k290k下，下，R=1000R=1000，B=1HzB=1Hz，则可求得，则可求得U Ut t(t)= (t)= 4nV4nV等效模型：等效模型：U Ut t(t) (t) 噪声电压噪声电压R R 无噪声电阻无噪声电阻但是，但是，B=1KHzB=1KHz，R=10MR=10M时，则可求得时，则可求得U Ut t(t)= (t)= 12.7uV12.7uV中国计量学院中国计量学院2.2.低频噪声低频噪声低频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称低

12、频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称1/f 1/f 噪声。噪声。方均值：方均值：baffIktU12)(式中式中 k1 与材料有关的常数。与材料有关的常数。 I 工作电流。工作电流。 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。 f 工作频率。工作频率。一般，频率低于一般，频率低于1KHz1KHz时，低频噪声有很大作用，特别时，低频噪声有很大作用，特别对于对于MOSMOS场效应管更为明显，所以调制频率不应选得太场效应管更为明显，所以调制频率不应选得太低，至少高于低，至少高于1KHz1KHz。色噪声色噪声中国计量学院中国计

13、量学院3.3.散弹噪声散弹噪声 由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0 0，方均值不为，方均值不为0 0。BqIIDCsh2 q q 电子电荷，电子电荷，1.591.591010-19-19C C B B 频宽频宽I IDC DC 直流电流直流电流可见方均根值正比与可见方均根值正比与B, ,与与f f无关。无关。白噪声白噪声shIre中国计量学院中国计量学院 首先把放大器视为无噪声方框首先把放大器视为无噪声方框U Ut t(t) (t) 加到放大器输入端的热噪声，通常

14、是信号源内产生热噪声加到放大器输入端的热噪声，通常是信号源内产生热噪声RS 信号源内阻信号源内阻 放大器的噪声用输入端串联的噪声电压发生器放大器的噪声用输入端串联的噪声电压发生器Un(t) 和输入端并联的电和输入端并联的电流发生器流发生器In来代替。来代替。Un(t) 放大器各级电压噪声折算到输入端的等效值。放大器各级电压噪声折算到输入端的等效值。In 放大器各级电流噪声折算到输入端的等效值。放大器各级电流噪声折算到输入端的等效值。Uni(t)Un(t)ZiInRSUt(t)USUo放放 大大 器器二二. .处理放大器噪声的方法处理放大器噪声的方法1.1.等效输入噪声等效输入噪声中国计量学院中

15、国计量学院 把这三个噪声等效到放大器的输入端去，用把这三个噪声等效到放大器的输入端去，用 Uni(t) 来代替，来代替，22222222)()()()(issinitnniZRRZIZtUtUtU当当ZiRs时，时，2222)(4)(snnsniRItUBkTRtU等效噪声电压等效噪声电压 Uni(t) 与与放大器自身参数有关放大器自身参数有关信号源内阻有关信号源内阻有关当当Rs=0时，时，)()(22tUtUnni与电压噪声有关与电压噪声有关当当Rs足够大时，足够大时，222)(snniRItU与电流噪声有关与电流噪声有关这种关系可见图这种关系可见图2-412-41Uni(t)Ut(t)Un

16、lgRsInRs中国计量学院中国计量学院 衡量放大器中信噪比恶化程度的指标。衡量放大器中信噪比恶化程度的指标。 信噪比信噪比信号有效功率信号有效功率S S对噪声有效功率对噪声有效功率N N之比，之比，S/NS/N。噪声系数：噪声系数：oiNSNSF)/)/（输出信噪比输入信噪比理想运算放大器理想运算放大器 F F = ? = ? ，我们应该努力减小还是增加，我们应该努力减小还是增加 F F ？重要结论：重要结论：R Rs s = r= ro o ，此时为最佳源电阻。，此时为最佳源电阻。注意：注意：最佳源电阻完全取决于噪声模型（最佳源电阻完全取决于噪声模型（U Un nIIn n）与输入阻抗无关

17、与输入阻抗无关2.2.噪声系数噪声系数3.3.最小噪声系数和最佳源电阻最小噪声系数和最佳源电阻中国计量学院中国计量学院补充：补充：数字滤波降噪技术数字滤波降噪技术（软件滤波算法）（软件滤波算法） 滑动平均滤波滑动平均滤波 方法：把连续取方法：把连续取N N个采样值看成一个队列，队列的长度固个采样值看成一个队列，队列的长度固定为定为N N，每次采样到一个新数据放入队尾，每次采样到一个新数据放入队尾, ,并扔掉原来队首并扔掉原来队首的一次数据的一次数据.(.(先进先出原则先进先出原则) )，把队列中的，把队列中的N N个数据进行算个数据进行算术平均运算术平均运算, ,就可获得新的滤波结果。就可获得

18、新的滤波结果。 N N值的选取：流量，值的选取：流量，N=12N=12；压力：；压力：N=4N=4；液面，；液面，N=4-12N=4-12；温；温度，度，N=1-4 N=1-4 作用：抑制随机噪声，并保留信号陡峭边沿非常有效，缺作用：抑制随机噪声，并保留信号陡峭边沿非常有效，缺点是灵敏度下降。点是灵敏度下降。中国计量学院中国计量学院 累加平均滤波累加平均滤波（算术平均滤波）（算术平均滤波） 方法：连续取方法：连续取N N个采样值进行算术平均运算。个采样值进行算术平均运算。N N值较大时：值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；信号平滑度较高，但灵敏度较低；N N值较小时：信号平滑值较小时：信号

19、平滑度较低，但灵敏度较高。度较低，但灵敏度较高。 累加平均次数和信噪比之间的关系累加平均次数和信噪比之间的关系由以下公式表示：由以下公式表示： 其中其中M M是累加平均次数，是累加平均次数， SNRSNRa a是累加前的信噪比，是累加前的信噪比， SNRSNRb b是累加后的信噪比。是累加后的信噪比。 作用：抑制随机噪声，缺点是对于测量速度较慢或响应速作用：抑制随机噪声，缺点是对于测量速度较慢或响应速度要求较高的场合不适用。度要求较高的场合不适用。abSNRMSNRlg10中国计量学院中国计量学院第三节、第三节、 典型测量放大电路典型测量放大电路v 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的

20、。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桥放大器电桥放大器 光电池、光敏电阻光电池、光敏电阻电流放大器电流放大器一、测量放大电路的基本要求和类型一、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 低噪声低噪声 低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂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）压的能力）高共模输入范围（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

21、高线性好、精度高 成本低成本低中国计量学院中国计量学院测量放大电路测量放大电路（按结构原理）（按结构原理）差动直接耦合式差动直接耦合式调制式：斩波稳零调制式：斩波稳零自动稳零式：自动稳零放大电路自动稳零式：自动稳零放大电路单端输入单端输入(同相同相/反相反相)放大电路放大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中国计量学院中国计量学院二、反相放大电路二、反相放大电路uoR3uiR1R2- -+ + +N1闭环增益闭环增益Ri=R1，Ro=0可见输入阻抗不高，可见输入阻抗不高， (1001000) R1(5100)K，(1001000) R2(501000)K，在提高放大器的输入阻抗

22、与提高电在提高放大器的输入阻抗与提高电路的增益之间存在一定的矛盾，可路的增益之间存在一定的矛盾，可用变形一。用变形一。R3= R1 / R2带滤波器的反相放大器见变形二。带滤波器的反相放大器见变形二。Kf= uo / ui = R2 / R1中国计量学院中国计量学院uoR3uiR1R2-+N1C1C3交流反相放大电路：交流反相放大电路：增益和阻值增益和阻值 Kf= R2 / R1 R3= R2 电容作用电容作用 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 C3R3C1R1中国计量学院中国计量学院三、同相放大电路三、同相放大电路uoR3uiR1R2- -+ + +N1K

23、f= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 Ro=0 同相输入运算放大器的同相端和反相同相输入运算放大器的同相端和反相端都等于输入电压，相当于输入端有端都等于输入电压，相当于输入端有一个共模信号，因此构成同相放大器一个共模信号，因此构成同相放大器时要求运放有较高的共模抑制比和较时要求运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。大的共模信号输入电压范围。特例：电压跟随器特例：电压跟随器0uiuFR2R平衡电阻平衡电阻中国计量学院中国计量学院uoR3uiR1R2- -+ + +N1C1同相交流放大电路同相交流放大电

24、路:C1：隔直电容隔直电容R3 ：C1的放电回路，的放电回路，注意：注意：R3 必须有必须有Zi =R3 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交流电压跟随电路？交流电压跟随电路？uoR3uiR2- -+ + +N1C1中国计量学院中国计量学院 补充：电压跟随器的应用实例补充：电压跟随器的应用实例 PHPH传感器电路中，前级输出阻抗很高，电压跟随器具有高传感器电路中，前级输出阻抗很高，电压跟随器具有高输入阻抗，可实现阻抗匹配，电压跟随器起缓冲、隔离、输入阻抗，可实现阻抗匹配，电压跟随器起缓冲、隔离、提高提高带负载能力的作用。带负载能力的作用。中国计量学院中国计量学院中

25、国计量学院中国计量学院四、差动放大电路四、差动放大电路什么是差动放大器？什么是差动放大器？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。模成分。R2uoR4ui2R1- -+ + +N1R3ui1基本电路基本电路R2uoR4uid/2R1- -+ + +N1R3uid/2uic共模与差模输入共模与差模输入中国计量学院中国计量学院差模电压差模电压uid= ui2ui1 由线性叠加原

26、理分析可得由线性叠加原理分析可得若若R1=R3，R2=R4，则则uo=(R2/R1) ud即只对差模信号进行放大即只对差模信号进行放大112234412)1 (iiouRRuRRRRRu这时若只有共模信号时，这时若只有共模信号时，uoc=0，抑制共模信号，抑制共模信号共模电压共模电压uic=(ui1+ ui2)/2中国计量学院中国计量学院抑制能力的大小，常用共模抑制比抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR来表示：来表示：cdKKCMRR共模增益差模增益如何求差动放大电路的共模抑制比？如何求差动放大电路的共模抑制比？要使要使CMRR，可得，可得3412RRRR工程上为了减少器件品种和提高工艺性工

27、程上为了减少器件品种和提高工艺性R1=R3R2=R4中国计量学院中国计量学院五、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。称为高共模抑制比放大电路。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应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测的场合，例如人体心电测量。一般的运放共模抑制比量。一般的运放共模抑制比80db左右左右 所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比所以我们采用

28、多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100120dB1. 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中国计量学院中国计量学院ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo- -+ + +N1- -+ + +N2AN1反相放大：反相放大：112iAuRRu00-0-0-5246RuRuRuiAo25614612iiouRRuRRRRu可见当可见当 5412RRRR，ui1=ui2 时，时，uo=0， 共模抑制共模抑制通常取通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比与电阻精度有关系。，共模抑制比与电阻精度有关系。中国计量学院中国

29、计量学院同相串联结构型同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1+ +- -+ +N2+ +- -+ +N1N1同相放大同相放大1121)1 (iouRRuN2同相放大，输出端有同相放大，输出端有042321RuuRuuioio13412234)1 ()1 (iiouRRRRuRRu共模电压：共模电压：221iiicuuu差模电压：差模电压： uid=ui2-ui1上式改为：上式改为：idicouRRRRRRuRRRRu)21 (21)1 (3142343412如何得到零共模增益？如何得到零共模增益？3421RRRR同时，同相输入，输入阻抗很大同时，同相输入，输入阻抗很大中国计量学院

30、中国计量学院2.2.三运放高共模抑制比电路三运放高共模抑制比电路uoui1ui2uo1uo2R1RoR2R7RPR8R3R4R6R5+ +- -+ +N1IR- -+ + +N2- -+ + +N3大范围增益调整电路大范围增益调整电路差分放大差分放大N1N2两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级输入级N3 双端输入单端输出差放双端输入单端输出差放)(1 (122112iiOoouuRRRuuidOuRRR)1 (21差模增益：差模增益：OiioodRRRuuuuk2112121由此我们可以看到共模信由此我们可以看到共模信号是被抑制的，且不要求号是被抑

31、制的，且不要求外部电阻匹配，同时为了外部电阻匹配，同时为了消除消除N1、N2输入偏置电流，输入偏置电流，取取R1=R2，调节电位器，调节电位器Ro，还可改变差模增益，这就还可改变差模增益，这就是我们所说的大范围增益是我们所说的大范围增益调整电路调整电路中国计量学院中国计量学院缺点：缺点：N1和和N2的的CMRR1、CMRR2不相等时，会把输入不相等时，会把输入 端的共模信号传到端的共模信号传到 输出端。输出端。同时，同时，N3输出级输出级353RRkd前提：前提：R3=R4，R5=R6电阻偏差很大，影响输出，精度控制在电阻偏差很大，影响输出，精度控制在0.1之内之内N3两端之间接入两端之间接入

32、R7和和R8和和RP共模补偿电路，调节共模补偿电路，调节RP，可，可补偿电阻的不对称。补偿电阻的不对称。中国计量学院中国计量学院补充：补充：单片集成测量放大器单片集成测量放大器以以AD620为例（典型三运放结构）为例（典型三运放结构）特点：特点： 1.低成本，高精度；低成本，高精度； 2.电源范围宽（电源范围宽（2.318V） 3.体积小，低功耗（体积小，低功耗（1.3mA） 4.只需一个外部电阻就可设置放大倍数只需一个外部电阻就可设置放大倍数1-1000； 单片集成测量放大器的优点：单片集成测量放大器的优点：无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放。无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放。

33、应用场合：常用于传感器接口电路，心电图检测仪，应用场合：常用于传感器接口电路，心电图检测仪， 精密电压电流转换电路等。精密电压电流转换电路等。中国计量学院中国计量学院为保证增益控制的高精度，输入三极管用差分双极输入；为保证增益控制的高精度，输入三极管用差分双极输入；用超用超工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部Q1-A1-R1和和Q2-A2-R2反馈环路，保持输入三极管的集电极电流反馈环路，保持输入三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻RG上；上；两个内部增益电阻两个内部增益电阻R

34、1和和R2精确确定为精确确定为24.7K。电路增益：电路增益：中国计量学院中国计量学院3K,5V供电的压力传感器电桥：供电的压力传感器电桥：电桥功耗仅电桥功耗仅1.7mA，AD620和和AD705缓冲电压驱动器对信缓冲电压驱动器对信号调节，使总供电电流仅为号调节，使总供电电流仅为3.8mA，电路产生的噪声和漂，电路产生的噪声和漂移极低。移极低。应用举例：压力传感器检测电路应用举例：压力传感器检测电路中国计量学院中国计量学院AD705及其外围电路作用：右腿驱动，有缘屏蔽驱动。及其外围电路作用：右腿驱动，有缘屏蔽驱动。前置放大增益不能过大，前置放大增益不能过大，RG =8.25K，G=7。应用举例

35、：心电检测电路应用举例：心电检测电路中国计量学院中国计量学院1.1.自动调零放大电路自动调零放大电路N1主放主放N2误差保持误差保持N3时钟发生器（方波发生器）时钟发生器（方波发生器）N4N3的反相器的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模拟开关模拟开关N3驱动驱动Sa1、Sa2，高电平导通，高电平导通，Sa1、Sa2导通时，导通时，Sb1、Sb2断开断开六、低漂移放大电路（稳零放大电路）六、低漂移放大电路（稳零放大电路）为了为了减少失调减少失调减小低频干扰减小低频干扰常采用常采用斩波稳零放大电路斩波稳零放大电路自动调零放大电路自动调零放大电路.中国计量学院中国计量学院Sa1、Sa2导通时，导

36、通时，Sb1、Sb2断开时，断开时，失调调零状态，把失调电压记录下来失调调零状态，把失调电压记录下来前半周：前半周：N1输入接入输入接入，只存在输入失调电压，只存在输入失调电压Uos1N1输出为输出为Uo1N2放大放大C1保持保持N2也存在失调电压也存在失调电压Uos2Uc1Uos1C1寄存了寄存了N1的输入失调电压的输入失调电压b) 误差保持误差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1- -+ + +N1- -+ + +N2中国计量学院中国计量学院后半周：后半周：N3输出低电平，输出低电平，Sa1、Sa2断开，断开，Sb1、Sb2断合，断合，电路进入信号放大状态。电路进入信号放大状态。接通接通U

37、i， U Ui i反相放大反相放大+ +输入失调放大输入失调放大+C+C1 1的寄存的寄存电压电压Uo(R2/R1)Ui实现自动调零实现自动调零优点：优点：1、 输出电压稳定，波动小。输出电压稳定，波动小。 2、失调和低频干扰小、失调和低频干扰小 3、成本低、成本低适用于毫伏级的低电平放大。适用于毫伏级的低电平放大。UoC1UiR1R2K1- -+ + +N1c) 调零放大输出调零放大输出中国计量学院中国计量学院2.低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器v 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CAZ运算放大器运算放大器v 斩波稳零集成运算放大器斩波稳零集成运算放大器ICL76

38、50 高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高输入电阻（输入电阻（1011），输入失调电压），输入失调电压(15）uV，普，普通运放通运放(26）mV。中国计量学院中国计量学院七、高输入阻抗放大电路七、高输入阻抗放大电路 电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。108以上以上虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大器的输入阻抗器的输入阻抗同相放大器。同相放大器。可在输入端加电压跟随器，但引入了跟随器的共模误差。可在输入端加电压跟随器，但引入了跟随器的共模误差。解决

39、方法解决方法高输入阻抗集成运放高输入阻抗集成运放通用运放组成的自举电路通用运放组成的自举电路中国计量学院中国计量学院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输入级类型输入级类型 输入阻抗输入阻抗 芯片代表芯片代表MOSFET 1.5106M CA3140、CA3260 FET 106M LF356/A、LF412CMOSFET 106M ICL7613、ICL7641B/C中国计量学院中国计量学院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R3uoR1R2C2C1- -+ + +uia)同相交流放大电路同相交流放大电路uouiR1R2C2C1R3- -+ + +b）交流电压

40、跟随电路）交流电压跟随电路uouii1i2R1iuo22R1R3R2- -+ + +N1- -+ + +R3N2c)自举组合电路自举组合电路总结：总结：自举电路：是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电自举电路：是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减少向输入回路索取电流，从而提高输入位，减少向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。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？中国计量学院中国计量学院八、电荷放大电路八、电荷放大电路压电式传感器压电式传感器电容式传感器电容式传感器将压力、位移等将压力、位移等电荷信号电荷信号电荷放

41、大电路电荷放大电路基本原理：基本原理：uoCQ 运算放大器运算放大器N的反相端与传感器相连，的反相端与传感器相连，N的的输出经电容输出经电容C反馈致其输入端。若反馈致其输入端。若N为理想工为理想工作状态，则反相输入端为虚作状态，则反相输入端为虚“地地”，直流输，直流输入阻抗很高，传感器的输出电荷只对反馈电入阻抗很高，传感器的输出电荷只对反馈电容容C充电，电容充电，电容C两端的电压为两端的电压为Q/C，则电荷，则电荷放大电路的输出是：放大电路的输出是：CQuo 所以，电荷放大电路的输出电压与输入电荷量成正比，所以，电荷放大电路的输出电压与输入电荷量成正比，与反馈电容成反比，而与电路其他参数无关。

42、与反馈电容成反比，而与电路其他参数无关。中国计量学院中国计量学院九、电流放大电路九、电流放大电路基本原理：基本原理： 运算放大器运算放大器N的正相端接地，的正相端接地，N的输出端经的输出端经电阻分压反馈至反相端。若电阻分压反馈至反相端。若N为理想工作状态，为理想工作状态，则反相输入端为虚地，所以则反相输入端为虚地，所以Ui=0。由于虚断，。由于虚断，N的两个输入端电流为的两个输入端电流为0，所以，输入电流信号，所以，输入电流信号全部流经电阻全部流经电阻R1，经分析可得电流放大倍数：，经分析可得电流放大倍数：211RRki 所以，电流放大电路的输出电流与输入电流成正比，所以，电流放大电路的输出电

43、流与输入电流成正比，放大倍数与电阻放大倍数与电阻R1 、R2有关，而与电路其他参数无关。有关，而与电路其他参数无关。光电传感器等光电传感器等将光强信号等将光强信号等电流信号电流信号电流放大电路电流放大电路中国计量学院中国计量学院十、电桥放大电路十、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由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感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和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。称为电桥放大电路。电感式电感式电阻应变式电阻应变式电容式传感器电容式传感器通过电桥转换电路输出电压通过电桥转换电路输出电压/电流信号电流信号中

44、国计量学院中国计量学院如果如果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2/14)1 (12uRRuo非线性非线性在在1时，时，4)1 (12uRRuo此时，输出电压与电桥电阻此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受无关，灵敏度不受R影响影响.此外，该电桥电路中电源此外，该电桥电路中电源U需要浮置。需要浮置。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou- -+ + +Na) 反相输入反相输入uZZZZZZZZRRuo)()1 (4221413212单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路中国计量学院中国计量学院注意：注意：1.非线性仍存在。非线性仍存在

45、。2.电桥四个桥臂的电阻同时变化时，电压放大倍数不是常量。电桥四个桥臂的电阻同时变化时，电压放大倍数不是常量。3.桥臂电阻桥臂电阻R和和R1的温度系数不一致时，增益不稳定，存在的温度系数不一致时，增益不稳定，存在温漂。温漂。4211)1 (1uRRuo差动输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路参考课本图参考课本图2-312-31中国计量学院中国计量学院uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub- -+ + +NC) 线性电桥放大电路线性电桥放大电路uRRRRuo3123若若R2=R(1+)，R3=R时，时，RRRuuo1注意：注意：uo与与成正比，即该成正比，即该电路为线性，但是缺点是灵电路

46、为线性，但是缺点是灵敏度与桥臂电阻敏度与桥臂电阻R有关，量有关，量程较大，灵敏度较低。程较大，灵敏度较低。但但a，b之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小小，失调也要小线性电桥放大电路线性电桥放大电路中国计量学院中国计量学院十一、增益调整放大电路十一、增益调整放大电路整调放大倍数整调放大倍数手动手动自动自动程控程控1.手动增益调整电路手动增益调整电路+ui1ui2u1u2uo左图为匹配电阻构成的差动放大电路，左图为匹配电阻构成的差动放大电路，RP用来调节增益用来调节增益idPouRRRRu)1 (2212 可见，只要改变可见，只要

47、改变RP可改变放大倍数，但可改变放大倍数，但RP与增益之间是非线性的，与增益之间是非线性的，因此调整范围小于因此调整范围小于10%，所以也叫，所以也叫小范围增益调整电路小范围增益调整电路。大范围增益调整电路，在三运放电路中已经介绍过。大范围增益调整电路，在三运放电路中已经介绍过。注意这里是手动调节注意这里是手动调节RP的值，不是自动的。的值，不是自动的。中国计量学院中国计量学院2.自动增益调整电路自动增益调整电路电路增益自动在最大、最小之间变换。电路增益自动在最大、最小之间变换。改变反馈电阻改变反馈电阻改变输入回路衰减电阻改变输入回路衰减电阻图图2-35a）改变反馈电阻的方法，反相放大）改变反

48、馈电阻的方法，反相放大的一个例子的一个例子+uiR3控制信号控制信号a）改变反馈电阻）改变反馈电阻当当ui很小时，控制信号为零电平，很小时，控制信号为零电平，V饱和导饱和导通，电路增益最大。通，电路增益最大。当当ui很大时，控制信号为负电平，很大时，控制信号为负电平，V截止，截止，电路增益最小。电路增益最小。uoRxuiR1R2- -+ + +NR4U2ixouRRRRRRu14242/场效应管RRRx3中国计量学院中国计量学院同理，同理，R1和结构场效应管并联，我们把场和结构场效应管并联，我们把场效应管看成一个电阻效应管看成一个电阻Rx。导通时，。导通时，Rx=0；截止时，截止时，Rx=。当

49、当ui很小时，控制信号为低电平，很小时，控制信号为低电平，V1、V2导通，电路导通，电路增益最大。增益最大。当当ui很大时，控制信号为高电平，很大时，控制信号为高电平， V1、V2截止，截止，电路增益最小。电路增益最小。uiuoN+V1V26VR3R2R1控制控制信号信号b） 改变输入回路衰减电阻改变输入回路衰减电阻中国计量学院中国计量学院3.可编程增益放大电路可编程增益放大电路分类分类单运放单运放多运放多运放测量放大器可编程放大电路测量放大器可编程放大电路单片集成可编程增益放大电路单片集成可编程增益放大电路中国计量学院中国计量学院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v 多路模

50、拟开关多路模拟开关+通用运放通用运放uia）单运放式）单运放式 4个二极管的作用：提高个二极管的作用：提高开关断开时的抗干扰性能，开关断开时的抗干扰性能，消除噪声和其他高阻效应。消除噪声和其他高阻效应。 断开时，断开时，uo使二极管正使二极管正向偏置，源级箝位到向偏置，源级箝位到0.6V，保证开关不接通。保证开关不接通。当然，因为开关分布电容形成尖峰，只适用低增益、低精度场合。当然，因为开关分布电容形成尖峰，只适用低增益、低精度场合。增益公式？增益公式？中国计量学院中国计量学院ui模拟开关模拟开关b）多运放并联式）多运放并联式运放多，成本高，调试难，每个运放都要调失调。运放多，成本高，调试难，

51、每个运放都要调失调。中国计量学院中国计量学院uiuo模拟开关模拟开关c）多运放串联式）多运放串联式但是也存在成本高，调试难的缺点。但是也存在成本高，调试难的缺点。集成测量放大器可选择增益大小集成测量放大器可选择增益大小外接模拟开关外接模拟开关+反馈电阻的方式反馈电阻的方式中国计量学院中国计量学院uiuoa）改变并联输入电阻）改变并联输入电阻uiuo模拟开关模拟开关b）改变并联反馈电阻）改变并联反馈电阻uiuo+c）任意正整数增益框图）任意正整数增益框图数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路集成可编程增益放大电路集成可编程增益放大电路LH0084 LH0086增益公式可参考三运放高共模

52、抑制比放大电路增益公式可参考三运放高共模抑制比放大电路中国计量学院中国计量学院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、输出和电源电路之间没有直接的电路耦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，即合，即信号在传输过程中没有公共接地端的特殊测量放大电路信号在传输过程中没有公共接地端的特殊测量放大电路。应用于何种场合？应用于何种场合？高噪声、高干扰情况下的测控系统高噪声、高干扰情况下的测控系统对安全有要求的场合：核电站、高压电对安全有要求的场合：核电站、高压电生物医学测量：确保人体不受伤害生物医学测量：确保人体不受伤害第四节、第四节、 隔离放大电路隔离放大电路

53、中国计量学院中国计量学院方式：方式：光电耦合光电耦合无线电波耦合无线电波耦合超声波耦合超声波耦合电磁耦合（变压器）电磁耦合（变压器） 前景好，带宽前景好，带宽 成熟，带窄成熟，带窄一、基本原理一、基本原理组成组成输入放大器输入放大器输出放大器输出放大器隔离器（变压器或光电耦合）隔离器（变压器或光电耦合）隔离电源隔离电源电源是浮置的电源是浮置的中国计量学院中国计量学院注意：这里的输入与输出的地是不一样的。注意：这里的输入与输出的地是不一样的。基本组成基本组成符号符号问题：普通运放虽然也能抑制共模干扰，为何有些场合问题：普通运放虽然也能抑制共模干扰，为何有些场合必须用隔离放大器呢？必须用隔离放大器

54、呢？中国计量学院中国计量学院原理框图原理框图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被测信号被测信号调幅波调幅波耦合耦合放大输出放大输出解调解调输入放大器的电源如何产生：几十输入放大器的电源如何产生：几十KHZ的的高频振荡高频振荡，经变压器馈入，经变压器馈入输入电路，再整流、滤波，提供隔离供电。输入电路，再整流、滤波，提供隔离供电。同时这个高频信号提供调制解调的载波信号。同时这个高频信号提供调制解调的载波信号。变压器非常关键（变压器的匝数、体积和分布电容）变压器非常关键（变压器的匝数、体积和分布电容）中国计量学院中国计量学院b) 光电耦合光电耦合浮置电源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LEDV被测信号被测信号LED(光信号）光信号）耦合耦合放大输出放大输出光敏二极管光敏二极管转成电信号转成电信号中国计量学院中国计量学院二二.通用隔离放大器通用隔离放大器1、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