信号放大电路测试电路

2023/2/32.信号放大电路信号放大电路是为了将微弱的传感器信号放大到足以进行各种转换处理或驱动指示器、记录器以及各种控制机构。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。要求：阻抗匹配有一定的放大倍数和稳定的增益低噪声低输入失调电压和失调电流及低温漂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度好，精度高2023/2/32.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2023/2/32.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2023/2/32.信号放大电路2.1运算放大器的误差及其补偿

2.1运算放大器件的主要误差源（实际特性）序号参数名称理想值实际值

1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3输入阻抗∞100kΩ～数兆欧4输出阻抗010Ω～数百欧5带宽0～∞0～10Hz（或0～10kHz）6动态范围0～供电电压有限部分7输入失调电压0纳伏至毫伏8输入失调电流0皮安至微安9噪声0纳伏至微伏+∞-+N2.1

测量放大电路的主要误差源

2.信号放大电路采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。最主要的误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。§2.1.2集成运放的主要直流参数1、输入失调电压Uos2、输入失调电流I0S3、转换速率SR,最大不失真频率fmax4、闭环放大倍数Kf5、共模抑制比KCMR概念集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压，mV级参数（双极型：1－10mv；场效应管型：大一些）多在前置放大器中产生误差，可消除。设计时注意选用低U0S的运放和设计相应调零电路。输入失调电压U0S输入失调电流I0S概念当运算放大器输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值，即I0S＝IIB1－IIB2可以通过调零电路消除。一般说来，运算放大器的偏置电流越大，其输入失调电流也越大。转换速率SR,最大不失真频率fmax转换速率SR表示输出电压能够跟踪输入电压的能力当输出为正弦波为使输出信号不失真运放的闭环放大倍数运放振荡产生的原因及消除方法增加RC补偿网络2023/2/32.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源式中k——

玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T——

导体的绝对温度（K）；B——

测量系统的噪声带宽(Hz)；R——

导体阻抗的实部(Ω)。

噪声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。热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2.1测量放大电路的主要误差源低频噪声与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声式中k1

——

与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；I

——

工作电流(A)；a、b

——

由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.8~1.5，a通常为1；

f

——

工作频率(Hz)。

散弹噪声

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，电流的方均值或方均根值不为零

式中q

——

电子电荷，为1.59×10-19C；

IDC

——

直流电流(A)；

B

——

测量系统的噪声带宽(Hz)。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源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）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比电路。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源共模抑制比KCMR概念运放工作于线性区域时，其差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比，即KCMR＝AVD/AVC以分贝表示为KCMR＝20lg（AVD/AVC）理想运放KCMR无穷大，实际KCMR为有限值设计高精度放大器时应选用高KCMR的运放减小漂移影响的主要措施（1）采用低漂移放大电路；（2）合理设计偏置电路；（R3=R1//R2

）（3）采用信号调制解调。uoR2ui+∞-+NR1R32.信号放大电路2.1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形状误差、位置误差、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2.信号放大电路2.2高共模抑制比放大电路一、基本放大电路

2.信号放大电路ui+∞+-NuoR1R2R3uoui+∞-+NR1R2R3反相放大电路同相放大电路2.3典型测量放大电路理想运算放大器的条件开环电压放大倍数AVD→∞（虚短）差模输入电阻RID→∞（虚断）开环输出电阻RO→0共模抑制比KCMRR→∞+-2.2.1同相放大器a.基本设计公式式中，ri为运放的开环输入阻抗，A为运放的开环增益，F为电路的反馈系数，即A>104;双极型:ri>104Ω;场效应:ri>108Ω;2.2.1同相放大器b.特点1）输入阻抗高，易受干扰2）共模误差大输入阻抗高带来的好处是用在前置放大器中。2.2.1同相放大器c.同相放大器的变形形式提供输入偏置电流通道平衡输入偏置电流R1＝R2R2>>R3、R4（1）低频交流放大器低频LF

30-300KHZ

中频MF

300-3MHZ

高频HF

3-30MHZ

2.2.1同相放大器c.同相放大器的变形形式平衡输入偏置电流（2）同相放大器的极端形式——射极跟随器d.同相放大器的设计1)选择一种同相放大器的结构；2)为同相放大器选择元器件;

集成运算放大器

电阻、电容2.2.2反相放大器a.基本设计公式2.2.2反相放大器b.特点（1）低输入阻抗，稳定性好（2）无共模信号，共模误差小

R3：平衡电阻，R3＝R1//R2R1、R2的选择

多用作中间或后置级放大。2.2.2反相放大器c.反相放大器的变形形式保证一定增益的条件下提高输入阻抗（1）反相放大器的变形形式根据“虚短”和“虚断”R3＝R1//R2取R2=R1>>R4、R52.2.2反相放大器c.反相放大器的变形形式抑制高频噪声（2）反相放大器的实用形式——交流反相放大器平衡输入偏置电流R3=R2(隔直电容C1的存在)归纳如下：增益RiRo作用、用途缺点近似计算公式同相放大器Ad=1+R2/R1开环增益均大于104倍以上ri+=ri

(1+AF)场效应晶体管：108以上r’o=ro/(1+AF)电路都采用电压负反馈的形式，电路的输出阻抗（闭环输出阻抗）的值都接近0。1、可作前置放大器，阻抗变换或隔离级；2、可避免放大器的输入阻抗对高通滤波器的截止频率的影响易受干扰和精度低为了消除输入偏置电流的影响，反馈网络采用“Y”型网络：A=1+R3/R4反相放大器A=-R2/R1满足大多数场合要求不超过10M性能稳定输入阻抗小，增益受到限制当R2>>R4、R5时A=-R2/R1（1+R4/R5）2023/2/3一、基本差动放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1

ui2作用时电路的输出uo2

2.2高共模抑制比放大电路独立作用原理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.信号放大电路一、基本差动放大电路取R2/R1=R4/R3

具有共模抑制能力。

2.2高共模抑制比放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R32.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R2/R1=R4/R3

2.2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2.3.5高共模抑制比放大电路基尔霍夫定理2.信号放大电路二、同相串联高共模抑制比放大电路取2.2高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1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ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.2高共模抑制比放大电路RP调整两臂平衡2.信号放大电路电路特点：输入阻抗高；增益调整方便；对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2三、三运放高共模抑制比放大电路2.2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2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1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jωRS1C1uic、jωRS2C2uic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差动放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2高共模抑制比放大电路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对于原来的电路2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1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2.2高共模抑制比放大电路∞+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4∞-++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输入共模抑制比变化2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响2.2高共模抑制比放大电路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++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2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路五、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输出总共模抑制比2.2高共模抑制比放大电路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2当CMRR12>>KdCMRR3’时CMRR=KdCMRR3’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。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。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。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。

2.3.6低漂移放大电路2.信号放大电路2.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟2.信号放大电路2.3低漂移放大电路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++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-++N2U0s1U0s22.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟高低2.信号放大电路2.3低漂移放大电路c)调零放大输出UoC1UiR1R2K1-++N1U0s1电路特点：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。∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)电路原理图2.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108Ω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+∞-+NR1R32.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2023/2/32.信号放大电路uo+∞+-NuiR1R2R3R4C12.4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2023/2/3c)自举式高输入阻抗放大电路uoR1R2C2C1R3∞-++ui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2023/2/3d)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2023/2/3e)电流补偿型电路输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri→∞，i2=i1

uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N22.信号放大电路2.4高输入阻抗放大电路2.信号放大电路2.5电桥放大电路P应变片测量力uuo灵2.信号放大电路2.5电桥放大电路uuousucx线圈测杆工件衔铁2023/2/3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2.信号放大电路2023/2/3（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2.信号放大电路Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

2.信号放大电路R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu2.5电桥放大电路（二）同相输入电桥放大电路2023/2/3（三）差动输入电桥放大电路2.5电桥放大电路R1=R2>>R

ua=ub

2.信号放大电路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR2023/2/3（四）线性电桥放大电路2.5电桥放大电路2.信号放大电路uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=

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，电荷放大电路亦称为电荷-电压变换电路。2.信号放大电路2.6电荷放大电路

灵2.信号放大电路2.6电荷放大电路

QCRRiCiCcRsCs∞-++Nuob)实际等效电路图QCuo∞-++Na)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足够大

2.信号放大电路2.6电荷放大电路

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，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。(1)改变反馈电阻的自动增益调整电路

Rx=R3+r

V饱和导通，r很小，电路增益最大;

V截止，r→∞，电路增益最小。

2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

uoR2R4R1ui控制信号R3∞-++NV灵(2)可编程增益放大电路

根据需要将R3~R6与

R2并联，使增益减小。2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

增益A

B

C

D10011115001111010112110111110UoUi1MΩ110kΩ20.4kΩ10.1kΩABCDR21MΩR110kΩ10kΩ∞-++NR3R4R5R6（3）LH0084集成可编程增益差动放大器

2.信号放大电路2.7增益可控放大电路

译码器和开关驱动电路Ui1R6Sa110kΩU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kΩR22kΩR14kΩR32kΩR56kΩR710kΩR910kΩR1330kΩR1560kΩR1460kΩR810kΩR1230kΩR1010kΩR1110kΩD0D1数字地8×107×46×110Uo131612151114∞+-+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增益可控放大电路

ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.信号放大电路2.7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数字输入D1D0闭合开关差动级放大倍数（U2-U1）/（U

i2-Ui1）连接端子输出级放大倍数Uo/（U2-U1）总放大倍数Uo/（U

i2-U

i1）00011011Sa1、Sb1Sa2、Sb2Sa3、