9-6-运算放大器在信号处理电路中的应用解析

9.7.1电流-电压变换器和电压-电流变换器1.电流-电压变换器——互阻放大器ARF'RO+_SuiORSSFuAiiR电流-电压变换器具有将输入电流转换为输出电压的能力。运算放大器引入了电压并联负反馈，低输入电阻和低输出电阻的形式消除了运算放大器在输入和输出端的负载效应。互阻增益(量纲)例1：图中AD590为半导体温度传感器，流过它的电流I与温度有关。绝对零度时，I=0A，温度每增加1K，I增加1A。试分析该电路的测温工作原理。AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590Off11f1()UIRIIR电流|电压变换电路恒流源电路(补偿电流I1)1.电流-电压变换器——互阻放大器AD590在0℃时的电流为273A，温度每增加1C，电流增加1A。为了使0℃时输出显示0.00V，用电流I1来抵消AD590在0℃时的电流273A的偏移量，使If=0。合理选择Rf1的阻值，使输出电压与摄氏度保持比例关系，从而获知被测温度。AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590AD590的电流I的变化量1A/℃，可得输出电压每摄氏度的变化量63Off1110101010mV/CUIR输出电压每10mV代表1℃，100mV就代表10℃。1.电流-电压变换器——互阻放大器2.电压-电流变换器——互导放大器OGSS1iAuuR电压-电流变换器使输入电压与输出电流成正比，并且要求输出电流不受负载阻值变化的影响，相当于是一个电压控制电流源。互导增益(量纲S)(1)浮动负载转换器AuOuSRRLiO运算放大器引入电流串联负反馈，将负载本身作为反馈元件，因而负载是悬浮的，不能接地。浮动负载上的电流受运算放大器最大输出电流的限制。(2)接地负载转换器(Howland电流泵)AuSRLiORR34R1R2'OuuO为接地负载提供稳定的输出电流，运算放大器既引入了负反馈又引入了正反馈环节，电路结构比较复杂。设输入uS=0，电路的两个反馈系数为1O12uRFuRR4LO34L////uRRFuRRR设电路参数选择合理，使F-F+，即负反馈占优势，则此时电路工作稳定，不会产生振荡。R1、R2构成负反馈路径R3、R4构成正反馈路径在运算放大器的反相输入端和同相输入端列节点电流方程：SO12uuuuRROO43uuuiRR+uu34421OOSO34341212RRRRRuiuuRRRRRRRR3241RRRR如果AuSRLiORR34R1R2'OuuO341234123412,RRRRRRRRRRRROS41iuR(2)接地负载转换器(Howland电流泵)9.7.2阻抗变换器——实现阻抗特性的模拟与变换接地阻抗变换电路的负反馈能力强于正反馈，因而工作稳定。由图可知1iIIioi11ii212i1()UUIIRUURZZRRURZZRRIUZ21iiiR1AR2iUoUiIZ1I该电路等效的接地输入阻抗为当Z为电阻时：ZRRIUZ21iii1i2RZRR，呈现负电阻特性；当Z为电容时：11i222jjjRRCZLRRC呈现模拟电感特性，模拟电感为122RLCRR1AR2iUoUiIZ1I9.7.2阻抗变换器——实现阻抗特性的模拟与变换绝对值电路的基本传输特性是：当输入uI0时，电路的输出为uO=uI；当输入电压uI0时，则uO=-uI。因此当电路输入电压为正弦波时，在该电路的输出端可以得到全波的输出波形，实现交流-直流的转换。9.7.3绝对值电路——精密整流电路OOttuoui绝对值电路工作波形RR'RA1uiuo12RR'RA2uoVD1VD22RAui0uo101.反相输入绝对值电路当输入电压uI0时，uO10，则VD1截止，VD2导通。ui0uo10RR'RA12RR'RA2uoVD1VD22RAui0oiuuAiuu-uI1.反相输入绝对值电路RR'RA1uiuo12RR'RA2uoVD1VD22RAui0uo10当输入电压uI0时，uO10，则VD1导通，VD2截止。1.反相输入绝对值电路ui0uo10RR'RA12RR'RA2uoVD1VD22RAoiuuA0uui0因此无论uI为正或为负，则uO恒为正，即oiuu1.反相输入绝对值电路RRA1uiuo12RRA2uoVD1VD2RARuN1uN2ui0uo102.同相输入绝对值电路当输入电压uI0时，uO10，则VD1导通，VD2截止。ui0uo10VD1RRA12RRA2uoVD2RARuN1uN2ui0oiuuAiuuuiui2.同相输入绝对值电路RRA1uiuo12RRA2uoVD1VD2RARuN1uN2当输入电压uI0时，uO10，则VD1截止，VD2导通。ui0uo102.同相输入绝对值电路ui0uo10VD1RRA12RRA2uoVD2RARuN1uN2oiuuAi2uuui0同相比例运算电路ui2ui2.同相输入绝对值电路用二极管实现的整流电路，在小信号整流过程中，由于二极管的导通压降会使电路输出产生死区和误差。绝对值运算电路被称为精密整流电路的原因是：绝对值电路将二极管引入到运算放大器的反馈通路中，二极管的死区不会在输出产生误差。RR'RA1uiuo12RR'RA2uoVD1VD22RARRA1uiuo12RRA2uoVD1VD2RARuN1uN2OOttuoui9.7.3绝对值电路——精密整流电路同相比例同相比例差分比例9.7.5仪用放大器仪用放大器通常用于放大传感器送出的微弱电信号，为此要求数据放大器有很高的电压增益；由于传感器的内阻往往不是常量，故要求放大器有足够高的输入电阻。传感器输出信号中往往含有较大的共模信号，因此要求数据放大器具有很高的共模抑制比。即对数数据放大器有“三高”要求。RfRA3uoRR1A1A2ui1ui2R2R2RfRfRA3uoRR1A1A2ui1ui2R2R2Rfuo1uo2BAi1Ai1uuBi2uu根据虚短、虚断的概念：9.7.5仪用放大器RfRA3uoRR1A1A2ui1ui2R2R2RfBAuo1uo2o1o2AB1122uuuuRRR2o1o2i1i212(1)()RuuuuRFF2Oo1o2i1i212(1)()RRRuuuuuRRR9.7.5仪用放大器仪用放大器放大两个输入信号的差值(差模信号)，抑制共模信号。仪用放大器有如下优点：(1)输入级采用同相比例运算电路，因而输入电阻更高；(2)抑制共模信号的能力强；(3)通过调节增益电阻R1，可以改变电路的电压增益。RfRA3uoRR1A1A2ui1ui2R2R2RfBAuo1uo2F2Oi1i212(1)()RRuuuRR9.7.5仪用放大器RGRGIN-+VSIN+OUT-VSREF12348765AD620集成仪用放大器AD521、AD620、AD624等，在集成电路内部将R1分为若干段，并分别由引出线外连，可以将增益设置成几挡，也可外接电位器连续调节电压增益。美国AD公司生产的集成仪用放大器AD620如图所示。oiREFG49.4kΩ1uuURuo2uo1A3uoR2R'A1R'A2uiR1RG21835640040010k10k10k10kUREF24.7k24.7k9.7.5仪用放大器演示一演示二9.7.7可控增益放大器——电压增益可以调节增益可以通过编程设置，也称为程控放大器。这类放大器适用于信号幅值变化范围较大的场合，可以自动适应输入信号，并使其输出信号稳定在一定范围内，因而越来越多地应用在自动控制、智能检测等领域。1.可控增益放大器的基本结构AuOuISW1Ri2Ri3Rf1Rf2Rf3SW2SW3SW4SW5SW6Ri1RiRfR1AuOSW1SW2SW3R2R3uI反相可变增益放大器同相可变增益放大器AuOuISW1Ri2Ri3Rf1Rf2Rf3SW2SW3SW4SW5SW6Ri1RiRf反相比例放大器的增益可大于1，小于1或等于1。因而既可以对电路输入的小信号进行放大，也可以对大信号进行衰减，电路的动态适应范围大。由于该电路的切换开关与电路输入电阻Ri或反馈电阻Rf串联，因而开关的导通电阻将影响放大器的增益。反相可变增益放大器1.可控增益放大器的基本结构R1AuOSW1SW2SW3R2R3uI同相可变增益放大器同相可变增益放大器采用同相比例放大电路结构。由于运放的输入电阻很高，可以忽略开关的导通电阻对电压增益的影响，因而适用于采用模拟电子开关的场合。该电路的电压增益只能大于或等于1，而不能小于1，因此在需要对输入信号进行衰减时，可以在其输入端加入无源衰减网络。1.可控增益放大器的基本结构由多个不同电压增益的放大电路级联所构成的可控增益放大器。2.组合式可控增益放大器放大电路G1SW1SW'1放大电路G2SW2放大电路GnSWnuIuOSW'2SW'n组合式可控增益放大器在每级放大电路的输入和输出端接入切换开关，通过接入不同的放大电路，实现程控放大。电路结构虽然复杂，但是各级放大电路之间相互独立，干扰小，容易设计。集成可控增益放大器用数字信号对其增益进行选择，其放大增益误差小，一般不会超过0.2%。由于其增益精度高，因而被广泛应用于医疗仪器及数据采集等系统中。3.集成可控增益放大器PGA204为程控增益仪用放大器，有16个管脚，其中A1A0为增益选择端，用于设置PGA204的4种放大倍数。A3uo过压保护A1A2ui4161551025k25k25k25k1112FBUREFV+V-数字选择反馈网络过压保护1411398ADJ67UOSuo1uo2A1A0DGNDuouin+uin-PGA204的典型应用电路如图所示，芯片的6脚和7脚可以悬空，不接调零电阻。电路的输出电压为A1A0增益G001011010100111000uoui416155101112FBUREFV+V-141138ADJ67UOSuo1A1A0DGNDuouin+uin-A1A09uo2+15V-15V+15V1F1FPGA204RPGA204的典型应用电路oin+in-()uGuu3.集成可控增益放大器