仪器电子技术应用第二章信号放大电路

1、仪器电子技术应用第二章信号放大电路放大电路基本知识集成运算放大器专用信号放大器（一）仪表放大器（二）隔离放大器（三）可编程放大器（四）低漂移放大器（五）宽带高速放大器作业和预习作业：列出10种仪器，举1例说明其内部电路构成和特点。负反馈，增益带宽积等 提问datasheet：, ,A741，各种性能参数的含义，提问INA114，原理，输出推导，讨论PGA103，原理，使用，讨论放大电路基本知识类型： 电压、电流、互阻、互导性能指标： 输入电阻/输出电阻、增益、频率响应及带宽、非线性失真负反馈 （1927年，贝尔实验室，Harold Black，渡船）?概念（-深度负反馈）影响： 改善失真（线性

2、（扩展带宽）/非线性） 降低灵敏度（提高稳定性） 改变输入输出阻抗 不能提高信噪比四种负反馈 （输入串联/并联反馈会增加/减小输入电阻 输出串联（电流）/并联（电压）反馈会增加/减小输出电阻 ）集成运算放大器电子电路的基本器件！60年代初，仙童（Fairchild)，741，工业标准性能优异近似理想特性，如电压增益高（80-140dB）实现信号源、放大器和负载的直接耦合连接输入零电平输出也是零电平低频响应扩展到直流工艺（双极型、MOS、BiMOS等）通用/专用集成运算放大器总体结构u-u+ uo国际标准符号国家标准符号uouid+VCCVEE8通用型集成运放741LARGE INPUT VOL

3、TAGE RANGE .NO LATCH-UP .HIGH GAIN .SHORT-CIRCUIT PROTECTION .NO FREQUENCY COMPENSATION REQUIREDThe UA741is a high performance monolithic operational amplifier constructed on a single silicon chip.It is intented for a wide range of analog applications. (.Summing amplifier .Voltage follower .Integrat

4、or .Active filter .Function generator)The high gain and wide range of operating voltages provide superior performances in integrator, summing amplifier and general feedback applications.The internal compensation network (6dB/octave)insures stability in closed loop circuits.AB电路图1. 偏置电路：T12、R5和T11构成了

5、主偏置电路，产生基准电流： 其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流的大小比例为1:3。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。电路分析12. 输入级： T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。 T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。 T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级

6、的有源负载，可以提高输入级的增益。 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。电路分析23. 中间级： T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。 T14和T20管组成互补对称输出级，恒压源电路T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。4. 输出级：电路分析3电路分析4频响校正电容:唯一，30pF消除自激振荡输入失调调零电位器：20K微调T5、T6发射极电流，使运放输入0，输出0一般不接（破坏平衡、热平衡特性差 增加

7、温漂） 1.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。一般mV数量级，高精度 V数量级温度漂移数十 V/度，高精度1 V/度以下 2.输入失调电压温漂 dUIO /dT 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。集成运算放大器的主要参数1 4.输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 1 nA 0.1 A 3.输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。双极性晶

8、体管输入10 nA 1 A，场效应晶体管输入一般小于1 nA主要参数2 5.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 6.最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。主要参数3主要参数4 7.开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。 8.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。 9.共模抑制比

9、 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。 11.全功率带宽 FBPW ： 运放的闭环电压增益为1，输入正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受SR限制 。 10.转换速率S R (压摆率)： 额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。普通为1V/us。主要参数5 12.建立时间ts： 闭环增益1，一定负载，阶跃输入信号，运放输 出电压达到特定值范围所需时间。 13.等效输入噪声电压UN： 输出噪声电压等效到输入端，

10、普通输入噪声电压有效值为1020uV。 主要参数6 14.开环带宽 SW ： 开环增益从直流增益下降3dB所对应的信号频率 15.单位增益带宽GB ： 闭环增益为1，正弦小信号驱动，闭环增益下降3dB所对应的信号频率 16. 增益带宽乘积GBW ： GBP=Afb 通常为定值。(同相741为1MHz) 开环-闭环频带宽度增益带宽积 例:用741设计一个增益为60dB的音频放大器. 音频:20k 增益1000 GWP=?扩频带，两级同向放大级联 【例】已知：信号幅值20nV、50KHZ； 放大器带宽1MHZ、增益1000、输入噪声5nV/问题：1、放大器能否检测到信号？2、若放大器不能正确检测到

11、信号，应采取什么措施？输出信号：输出噪声：分析：采用带通放大器：中心频率50KHZ Q=100 带宽为500HZ输出噪声：采用锁相放大器：中心频率50KHZ Q=很高 带宽假设输出噪声：噪声集成运放使用注意加电源（怎么加？）有电流正负电源间（静态电源电流），mA ； 输出与负电源间功耗，mW 静态限制：输入偏置电流/输入失调电流；输入失调电压；输出电压范围；输出饱和（rail-to-rail）动态限制：开环；闭环；暂态响应（上升时间/转换速率）放大器自激振荡的解决方法电阻（一般小于兆欧）电源滤波运放电源引脚加滤波电容（，非卷绕独石电容或瓷片电容）电容紧靠电源引脚，接地点接在一起并尽可能靠近本级

12、运放电路的参考接地点特别敏感的电路（如前置放大器），供电电源单独从电源引出，并单独RC或LC滤波。布线工艺运放分析基础理想运算放大器理想参数（Ao、 rid 、 BW- )( Ib 、 rod -0）虚短/虚断运放等效电路运放的基本连接同相放大器（跟随器）反向放大器差动放大器等效电路uouidui+u+uoRidAud uidRoi放大电路的基本形式同相放大器：输入阻抗高、输出阻抗小可用于阻抗变换、隔离交流放大器电压跟随器放大电路的基本形式反相放大器：高频放大器？低频放大器？放大电路的基本形式差动放大器：去共模干扰影响共模抑制比主要因素：匹配精度、放大器共模抑制比、开环增益、输入阻抗等习题？设

13、 ， ， ，A741为例，V/V， ， ，则同相放大电路理想输出电压？实际输出电压？输入阻抗输出阻抗？运算放大器类型低噪声运算放大器精密运算放大器高CMRR运算放大器高输入阻抗运算放大器高速运算放大器宽带运算放大器低功耗运算放大器大功率运算放大器轨轨运算放大器斩波稳零运算放大器仪用放大器可编程放大器隔离放大器单电源和双电源单运放、双运放和四运放（一）仪表放大器应用信号源内阻变化输入信号有强共模成分（工频干扰等）数据采集系统、电桥、热电偶、生物探针及温度传感器的放大电路特性高输入阻抗1010高共模抑制比增益调节方便精度高、稳定性好仪表放大器原理？要求A1=A24个R相等G=1+50Kg/Rg仪表

14、放大器应用注意1输入偏置（a）高源电阻（石英话筒、水下超声探测器等）（b）低源电阻（热电偶等）（c）对称结构仪表放大器应用注意2有源信号屏蔽（输入信号保护）(双线，交流传输)高输入阻抗，分布电容提高共模抑制比AD620，IN128，IN114仪表放大器应用注意3输出偏置内部电路 引脚可编程仪表放大器INA102（二）隔离放大器输入输出隔离高共模电压叠加微弱传感器信号接地不良耦合（大分布电容、浮地、对地高阻抗，）长导线耦合工频地线（参考点）存在电位差，地线环流！隔离放大器输入差分源对地阻抗高传输线长或与工频电源线近距离平行为了安全，两设备必须分别接地传感器与强带电体直接接触或绝缘强度不高被测对象

15、很弱（病人、活细胞等）隔离放大器隔离放大器抵御高共模电压原理隔离放大器2隔离放大器抑制地线环流原理隔离放大器3磁耦合隔离（最“古老”，带宽窄，耐压一般）调制与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能输出级是对信号进行解调，滤波与放大 AD204内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。光电耦合隔离（应用广泛）光信号传送耦合，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用 FCD820 ISO100（模拟量线性和精度差）线性光耦隔离放大器件(开关量可靠传递)数字隔离（1）PWM的调制及解调方式（2

16、）V/F方式电容耦合隔离（频率调制，先进） ISO175输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。 隔离放大器4性能综合对比： 耦合方式传送精度噪声滤波结构复杂度传送距离变压器耦合中需要高短电容耦合较好需要高短线性光电耦合较好不需要中短AD210-多通道数据采集前端模块？4-20MA-0-10V0-100度-2-12V10mV-10V电桥转换.（三）可变增益放大器同相可变增益原理/电路反相可变增益原理/电路 程控可变增益模拟开关（如4051）（精度不高）D/A芯片（如DAC083

17、2)（单路，频响不高）集成电路（如AD624，PGA103,单路) （如PGA100,多路）DAC控制程控增益放大器（四）低漂移放大器在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号；普通的运算放大器的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上；输入失调电压可以被调零，漂移难以消除；失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到最小。举例（一）电压信号放大（霍尔器件）例：同相放大，Rs=1M，Rp开路，放大器K=50，Ri= 1M，放大器偏置电流1nA，求传感器输出电压1mV时，放大器输出电压？解：1）放大器偏置电流经传感器内阻产生1nA

18、* 1M= 1mV的电压，加在放大器的输入端，经放大，输出50mV（零输入时输出电压）。 2）传感器的输出电压经传感器输出电阻和放大器输入电阻分压，加在放大器的输入端，经放大，输出25mV。 3）结论：小于零点电压！所以当传感器输出阻抗高时，一定选用输入阻抗高，偏置电流小的放大器！（四）低漂移放大器低失调/偏置电流结构特点芯片参数具有超高电流放大系数晶体管LM308IB 1nA输入偏置电流相消OP07IB 1nA Ios0.4nAJFET输入级LF356IB= 30pA Ios=3pA特殊JFET技术+隔离技术AD549，OPA129IB100fA MOSFET输入级TLC279IB=0.7pAIos=0.1pA（四）低漂移放大器调制解调型斩波稳零放大器动态较零（自稳零）型斩波稳零放大器闭环开环集成低漂移放大器(AD8551,ICL7650)温漂小于10uv/ ，甚至1uv/ 调制解调型斩波稳零放大器交流放大，Uos1隔离Uos2缩小K1倍典型应用两个记忆电容CXA和CXB必须使用绝缘电阻很高的优质电容器。例如，聚酯薄膜电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器等容量可以从至1F中选择。高精度放大器，往往在输入电压为微伏量级的情况下高增益工