《传感器与信号调理技术》课件第7章

第7章信号放大技术7.1基本放大电路7.2测量放大器7.3可编程增益放大器7.4低漂移放大器7.5隔离放大器7.6电荷放大器

7.1基本放大电路

7.1.1运算放大器及其特性

运算放大器(简称运放)的特性可用输入特性、传输特性、输出特性来描述，如图7-1所示。图7-1运算放大器特性运算放大器未加反馈时称为开环，引入反馈后称为闭环。实际放大电路绝大部分处于负反馈的工作状态下，利用运放的高增益加上深度负反馈来改善其本身或与之相关电路的特性。运算放大器引入反馈后的放大电路结构如图7-2所示。图7-2放大电路结构放大电路的特性可用运算放大器A的内、外两部分的关系来描述。对于运算放大器A内部，有

(7-1)式中，uid为运算放大器的差模输入电压。对于运算放大器的外部，有

(7-2)

式中，Auf为放大电路闭环增益。放大电路是将输入ui

通过外

部电路转换为对应的uid，再通过运算放大器内部，将uid放大到相应的输出uo。理想运放引入负反馈之后，其传输特性取决于外部反馈元件及其运放之间的组合形式，以图7-3所示的组态为例，其输入、输出关系为

(7-3)图7-3反相放大器7.1.2

T型放大器

T型放大器的结构如图7-4所示，图7-4(a)为一般形式，因反馈支路为T形网络而得名，如图7-4(b)所示。在图7-4(b)中，可计算uT为

则T型放大器的闭环增益为

(7-4)图7-4

T型放大器

例1-1在图7-4所示的放大电路中，R1=100kΩ，Auf=

－100，试确定其他各电阻的取值。

解若选择R2=200kΩ、R5=1kΩ，由式(7-4)计算可得

R4=48.8kΩ。

可见，由R2、R4、R5组成的T形反馈网络其作用与10MΩ的电阻是一样的，但R2、R4、R5的实际值却比10MΩ小了一个多数量级，使放大器的性能得到了改善，因此这种放大电路常用在需要较高增益的测量系统中。7.1.3电桥放大器

转换电路可以是半桥形式，也可以是全桥形式。为了提高放大器的共模抑制能力，降低失调电压及失调电流对测量结果的影响，放大器采用差动输入方式，转换电路也采用全桥形式。一般的电桥放大器的结构如图7-5所示。图7-5电桥放大器在图7-5(a)中，Rx为传感器，Rx=R(1+ε)，ε为传感器电阻的相对变化，ε=ΔR/R。若认为放大器是理想的，利用电压叠加原理可得放大器正、负输入端的电压分别为利用u+=u－可得

一般ε<<1，所以

(7-5)

由此可见，输出电压正比于ε的大小。对于图7-5(b)所示的电路，若忽略放大电路对电桥的影响，则

将Rx=R(1+ε)代入上式后得

一般ε<<1，所以

(7-6)若放大器是理想的，利用电压叠加原理可得放大器正、负输入端的电压为

利用u+=u－及uAB=uA－uB，可得

(7-7)将式(7-6)代入式(7-7)，uo输出为

(7-8)

为了得到较高的放大增益及其良好的输入输出线性关系，可采用图7-6所示的反馈式电桥放大电路。图7-6反馈式电桥放大电路在图7-6中，运放A2接成跟随形式，A1的输出通过电位器

RP将部分输出电压buo(b<1)反馈到电桥电路。由(E－uD)/R2

=(uD－buo)/R2及uC=uD得

(7-9)

则

(7-10)联立式(7-7)、(7-9)、(7-10)得

式中，Auf=Rf/R1。调节RP，使得Aufβ=4，则

(7-11)

7.1.4高输入阻抗放大电路

1.高输入阻抗集成运算放大器

采用MOSFET作为输入级的集成运算放大器，如CA3140、CA3260等，它们的输入阻抗可高达1.5×106MΩ；采用FET作为输入级的，如LF356/A、LF412、LF444和LM310等集成运算放大器的输入阻抗为106MΩ，与采用MOSFET作为输入级的集成运算放大器相比，其性能稳定且不易损坏。

2.自举式高输入阻抗放大电路

常用的自举式高输入阻抗放大电路如图7-7所示。图7-7自举式高输入阻抗放大电路图7-7(a)电路的输入阻抗为

(7-12)图7-7(b)是由两个通用集成运算放大器A1、A2构成的自举组合电路。设A1、A2为理想运算放大器，由电路可得输入电阻为

(7-13)

7.2测量放大器

7.2.1测量放大器的工作原理

图7-8为测量放大器的基本结构。图7-8测量放大器的基本结构若认为A1、A2为理想运算放大器，其输出分别为uo1、

uo2，则有

因为ui1－ui2=ui，所以

(7-14)若认为A3为理想运算放大器，则

(7-15)为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，应根据上下对称的原则选择电阻，通常取R3=R4、R5=R6=RF，则式(7-15)可改写为

(7-16)

将式(7-14)代入式(7-16)，并取R1=R2后得

(7-17)则测量放大器的闭环放大倍数为

(7-18)

由式(7-17)和式(7-18)可以看出，改变增益电阻RG的大小，可方便地调节放大器的增益。7.2.2共模抑制比

测量放大器输入级电路的共模抑制比主要由运放A1、A2本身的共模抑制比决定。如果不考虑输入级外部电阻不匹配引起的共模误差，根据共模抑制比的定义，可求出输入级的共模抑制比为

(7-19)输出级电路的共模抑制比主要是由A3外部电阻的不匹配引起的。设运放A3本身的共模抑制比为CMRR3，当A3外部的电阻不匹配时，会给输出级带来附加的共模误差。设电阻

R3、R4、R5和R6偏差均为±d，考虑最严重的情况，即R3=R30(1+d)、R4=R40(1－d)、R5=R50(1－d)、R6=R60(1+d)，

且R30=R40、R50=R60，可得输出级的共模增益为式中，Kd3为输出级的差模增益，Kd3=R50/R30。因此，因外部电阻不匹配造成的共模抑制比CMRRR为

输出级的共模抑制比为

(7-20)

可见，外部电阻的不匹配将使输出级的共模抑制比由CMRR3下降为CMRR2。图7-8所示电路总的共模抑制比为

(7-21)7.2.3测量放大器应用举例

“脉诊”是中医取得病人生理和病理信息的一种重要手段，是诊断疾病的重要依据。利用脉搏压力传感器和放大器，将脉搏信号提取出来，给医生进一步的诊断疾病提供了很大的方便。脉搏是压力波和容积波的结合，利用高灵敏度的压力传感器和放大器，可以不失真地检测出脉搏信号。一般的压力传感器是一个半导体集成电路，放大器电路用测量放大器最为合适。图7-9人体脉搏信号测量电路

7.3可编程增益放大器

可编程增益放大器的结构形式多种多样，按采用的放大器个数可分为单运放、多运放可编程增益放大电路和单片集成可编程增益放大器。按输出信号可分为模拟式和数字式可编程增益放大器。

单运放和多运放可编程增益放大器如图7-10所示。图7-10通用运放可编程增益放大电路图7-10(a)中，通过控制开关的通断来改变放大器的并联输入电阻，从而实现增益控制。数字控制信号A、B、C、D控制4个模拟开关，可实现0～15中任意正整数增益值。其闭环放大倍数的计算式为

(7-22)

7.4低漂移放大器

7.4.1斩波稳零低漂移放大电路

斩波稳零低漂移放大电路又称为调制式放大电路。它是利用同步调制—解调，并由隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零的，其原理框图如图7-11所示。图7-11斩波稳零低漂移放大电路原理框图典型的斩波稳零低漂移放大器原理电路如图7-12(a)所示，该电路各点的电压波形如图7-12(b)所示。图7-12典型斩波稳零放大电路低通滤波器的输出电压为U5=－K2UiT1/(T1+T2)。对于输入信号Ui来说，C3是开路的，设A1的开环放大倍数为K1，则输出信号为

(7-23)下面分析运算放大器A1的输入失调电压U0s对输出的影

响ΔU0。考虑U0s影响时，设Ui=0，电容C3开路，将U0s等效

在A1的负向输入端，即U－=U0s；对于ΔU0，对应A1的正向

输入端电压为U+=－K2UA；再利用UA=ΔU0R/(R+R4)及ΔU0=K1(U+－U－)，则

(7-24)

可见，U0s对输出的影响大大减小了。7.4.2自动稳零放大电路

第一阶段，当时钟发生器A3输出高电平、A4输出低电平时，模拟开关S11、S12接通，S21、S22断开，电路处于失调电压保持状态，其保持等效电路如图7-13(b)所示。此时A1输入端无输入信号，只存在失调电压U0s1，其输出为U01，再经A2放大后由电容C1保持，考虑到A2的失调电压U0s2，电容C1寄存的电压为UC1=－(U01+U0s2)K2,其中，U01=(－U0s1+UC1)K1,所以式中，K1、K2分别为集成运算放大器A1、A2的开环放大倍数。由于K1>>1及K1K2L>>1，所以

(7-25)

从式(7-25)可以看出，电容C1寄存了运算放大器A1的失调电压U0s1。第二阶段，当时钟发生器A3输出低电平、A4输出高电平时，模拟开关S11、S12断开，S21、S22接通，电路进入信号放大状态，其等效电路如图7-13(c)所示。此时，Ui经A1放大后，输出为

(7-26)图7-13自动稳零放大电路7.4.3低漂移集成放大器

根据电容C1、C2的电压存储效应，输出电压为

(7-27)

ICL7650外部管脚功能如图7-14(b)所示。14脚为时钟控制，当13脚外接时钟时，14脚接－E，当用内部时钟时，14脚接+E；C1、C2为外接记忆电容，一般为0.1μF，并随时钟

频率增大而减小；使用时9脚与4脚相连，这样，当输出达到+E或－E时，箝位工作。图7-14自动稳零集成运算放大器ICL7650

ICL7650作为一个放大器件，既可以单端输入工作，也可以差动输入工作。图7-15所示是利用ICL7650作为反相放大器的应用电路，其输出电压为

(7-28)

ICL7650集成运算放大器的输入阻抗高(可达1011Ω)、失调电压小(U0s=5μV)、共模抑制比高(CMRR=120dB)，电源电压的典型值为±6V，最高为±7.5V。图7-15

ICL7650反相放大电路7.5隔离放大器

7.5.1隔离放大器的基本原理

隔离(采用变压器或光电耦合)电阻Ris0约1012Ω，隔离电容的典型值为20pF，实现了输入与输出的隔离，消除了通过公共地线的干扰，从而极大地提高了电路的共模抑制比。输出电压uo可表示为

(7-29)图7-16隔离放大电路基本组成及符号隔离放大电路的原理框图如图7-17所示。图7-17(a)为变压器耦合的隔离放大电路框图，被测输入信号经放大、调制变成调幅波，由变压器耦合，再经解调、滤波和放大后输出。图7-17(b)是光电耦合隔离放大电路框图，它将被测输入信号放大(也可载波调制)，并由耦合器中的发光二极管LED转换成光信号，再通过光耦合器中的光电器件(如光电二极管、三极管等)变成电压或电流信号，最后由输出放大器放大输出。图7-17隔离放大电路原理框图7.5.2通用隔离放大电路

1.AD277变压器耦合隔离放大器

AD277是美国AD公司的一种通用隔离放大器(国产284J、289与它类似)，其结构如图7-18(a)所示，它的前、后级各由高性能运算放大器A1、A2构成，前级由浮置电源供电，该浮置电压(±15V)还为传感器和其他组件供电用。图7-18

AD277内部结构及斩波稳零隔离放大电路

2.互补式光电耦合隔离放大电路

图7-19所示为互补式光电耦合隔离放大器原理电路图。

运算放大器A1组成输入放大器，A2组成输出放大器，VLC1和VLC2是特性完全对称的光耦合器。VLC2用作输入放大器和输出放大器之间信号的隔离传送;VLC1为A1提供非线性反馈，用于弥补VLC2的非线性。图7-19互补式光电耦合隔离放大电路如果A1、A2处于理想工作状态，i1=i2，并取R2=R3，由电路可得i1=10/R2+ui/R1,i2=10/R3+uo/(R5+RP)，所以

(7-30)

7.6电荷放大器

有些传感器如CCD、压电传感器等，其输出电信号为电