测控电路第二章-信号放大电路(N)

热噪声—导体中电荷载流子的絷激振动引起，白噪声。

与R成正比！2.2噪声的基础知识第2章信号放大电路低频噪声—与晶体管表面状态及PN结的漏电流有关的噪声。

f<1kHz散弹噪声—由半导体器件中电子发射的不均匀性引起的噪声。噪声--就是干扰有用信号的扰动。干扰和噪声没有本质区别，通常将外部来的称为干扰，内部产生的称为噪声。噪声频率不可测为白噪声，频率可测为色噪声。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)。

热噪声：由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声。第2章信号放大电路第2章信号放大电路低频噪声: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)。

第2章信号放大电路散弹噪声：

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)。第2章信号放大电路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。第2章信号放大电路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+∞-+NR1R3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以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率；⑥高共模输入范围和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧

线性好、精度高；⑨成本低。2.3.1测量放大电路的基本要求与类型第2章信号放大电路72.3.2反相放大电路优点：性能稳定；缺点：输入阻抗低（R1）。第2章信号放大电路uoui+∞-+NR1R2R3反相放大电路82.3.3同相放大电路优点：输入阻抗高；缺点：易受干扰。第2章信号放大电路ui+∞+-NuoR1R2R3同相放大电路92.3.4基本差动放大电路第2章信号放大电路

在许多情况下需要测量的参数是差值：如：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。这就需要用差动放大电路。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。102.3.4基本差动放大电路第2章信号放大电路基本差动放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1

ui2作用时电路的输出uo2

112.3.4基本差动放大电路第2章信号放大电路取R2//R1=R4//R3

具有共模抑制能力。

uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3优点：抑制共模干扰，减小温度漂移；缺点：输入阻抗较低，增益调节困难。12实际上不可能完全做到R2//R1=R4//R3

第2章信号放大电路132.3.5高共模抑制比放大电路精第2章信号放大电路一、双运放高共模抑制比放大电路同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特点：同相输入、高输入阻抗14取uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1缺点：增益与共模抑制比牵连同相串联结构型2.3.5高共模抑制比放大电路第2章信号放大电路15二、三运放高共模抑制比放大电路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.3.5高共模抑制比放大电路RP调整两臂平衡第2章信号放大电路16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∞-++N22.3.5高共模抑制比放大电路第2章信号放大电路17∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4高低2.3.6低漂移放大电路第2章信号放大电路18b)误差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s22.3.6低漂移放大电路第2章信号放大电路19Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟高低2.3.6低漂移放大电路第2章信号放大电路20c)调零放大输出UoC1UiR1R2K1-++N1U0s12.3.6低漂移放大电路第2章信号放大电路212.3.7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106‾108Ω以上，这就要求其测量放大电路具有极高的输入阻抗，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+∞-+NR1R3精第2章信号放大电路22uoui+∞+-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2.3.7

高输入阻抗放大电路第2章信号放大电路23uo+∞+-NuiR1R2R3R4C1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。交流放大电路第2章信号放大电路2.3.7高输入阻抗放大电路c)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3∞-++第2章信号放大电路2.3.7高输入阻抗放大电路d)自举式高输入阻抗放大电路(同相交流放大电路)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。第2章信号放大电路2.3.7高输入阻抗放大电路e)自举组合（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∞-++R3N2第2章信号放大电路2.3.7高输入阻抗放大电路

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。灵第2章信号放大电路2.3.8电荷放大电路28QCRRiCiCcRsCs∞-++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。第2章信号放大电路2.3.8电荷放大电路29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

第2章信号放大电路2.3.8电荷放大电路30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

第2章信号放大电路2.3.8电荷放大电路31

电流放大电路是一种将微弱电流放大的测量放大电路。适用于对输出为微弱电流的传感器的输出信号进行放大，以进行后续处理。第2章信号放大电路2.3.9电流放大电路32P应变片测量力uuo灵第2章信号放大电路2.3.10电桥放大电路33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。灵第2章信号放大电路2.3.10电桥放大电路（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-uabZ1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

灵第2章信号放大电路2.3.10电桥放大电路R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu（二）同相输入电桥放大电路灵第2章信号放大电路2.3.10电桥放大电路36（三）差动输入电桥放大电路R1=R2>>R

ua=ub

∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR灵第2章信号放大电路2.3.10电桥放大电路（四）线性电桥放大电路uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=

ub

当R3=R时量