第二章信号放大电路4-7学时

1第二章信号放大电路1、测量放大电路在测量控制系统中，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，亦称仪用放大电路。一、何谓测量放大电路？2（1）按结构原理分：①差动直接耦合式（单端输入运算放大电路；电桥放大电路；电荷放大电路）②调制式③自动稳零式（2）按元件的制造方式分：①分立元件结构形式（基本淘汰）②通用集成运算放大器组成形式③单片集成测量放大器2、测量放大电路的类型3①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。3、对测量放大电路的基本要求：4开环增益(K)：闭环增益(Kf)：差模增益(Kd)：共模增益(Kc)：4、几个重要术语运放本身的增益，常视为∞由放大器的接法及外接电阻参数决定，是电路的实际增益，Kf=Uo/Ui由差模输入信号uid引起的增益(uid=ui1﹣ui2)由共模输入信号uic引起的增益(uic=(ui1+ui2)/2)Uo=Kduid+KcuicCMRR=|差模增益Kd/共模增益Kc|或=20lg|差模增益Kd/共模增益Kc|共模抑制比(CMRR)：5输出失调电压(u0)：对理想放大器，输入为零，输出也应为零。但实际的运放前置级往往不对称，所以必须在输入端加一个直流电压，才能使输出为零，这个直流电压称为～。输入失调电压(uOS)：当输入为零而输出不为零时，输出端的电压称为～。输入失调电流(I0s)：I0s=IP-IN输入失调电压随时间和温度变化；也就是说，输入短路时，输出零点随时间和温度变化，形成～零点漂移：6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纳伏至微伏运算放大器件的主要误差源7Kf=uo/uiR3RiR1通常取值几千欧uoR3uiR1R2∞-++N1二、典型放大器的设计（一）反相放大器特点：①Ri小②共模抑制比好（没有共模误差）=–R2/R1=R1//R2=R18Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3→∞uoR3uiR1R2∞-++N1（二）同相放大器orZi=zin(1+T)+R3=zin[1+K/(1+R2/R1)]+R391、交流反相放大电路Kf=–R2/R1R3=R2C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2∞-++N1C1C3（三）交流放大器10C1：隔直电容R3：C1的放电回路R3必须有Zi=R3uoR3uiR1R2∞-++N1C12、同相交流放大电路使同相放大器失去高输入阻抗的特点11同相放大电路的特例为减小失调电流，R3=R2uoR3uiR2∞-++N1C13、交流电压跟随电路12■何谓自举电路?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。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。4、自举式高输入阻抗放大电路13a)同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3∞-++ui三种常用的自举式高输入阻抗放大电路14b)交流电压跟随电路(高输入阻抗型)uouiR1R2C2C1R3∞-++15输入电阻为Ri=ui/i=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri→∞i2=i1i=0uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)c)自举组合电路16差动放大器是把二个输入信号（ui1、ui2）分别输入到运算放大器的反相和同相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。（四）差动放大器uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R317uid=ui1﹣ui2Uo=Uo(id)+Uo(ic)uic=(ui1+ui2)/2差模输入电压：共模输入电压：输出电压：Uo(id)=KduidUo(ic)=KcuicCMRR=Kd/Kcuo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R318基本电路共模与差模输入R2UoR4ui2R1∞-++N1R3ui1R2UoR4uid/2R1∞-++N1R3uid/2uicuid=ui1﹣ui2ui1=uic-uid/2uic=(ui1+ui2)/2ui2=uic+uid/219ui1作用时电路的输出uo1i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuid12121434ic12121434)uRRRRRRRR(21)uRRRRRRRR(若R2/R1=R4/R3，则Uo=(R2/R1)uid即输出信号中无共模信号成分,只对差模信号进行放大1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。实际上不可能完全做到R2//R1=R4//R321什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。三、高共模抑制比放大电路应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。22uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2（一）双运放高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型通常取R1=R5，R2=R4特点：共模抑制能力与电阻精度有关，且输入阻抗低23uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N12、同相串联结构型为获零共模增益，可取R1/R2=R4/R3424i21313(1)(1oiRRRuuuRRR）244241331321(1)(1)2oicidRRRRRuuuRRRRR2111(1)oiRUuR12234oiiouuuuRR特点：1.高输入阻抗；2.对于N2仍然是差动放大电路24ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RP1R8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3（二）三运放高共模抑制比放大电路※0i12i11o1i22i2oRuuRuuRuuIR2i011i011o)1(uRRuRRu1i022i022o)1(uRRuRRu))(1(1i2i0211o2ouuRRRuu0211i2i1o2od1RRRuuuuK特点：1.输入阻抗高；2.增益调整方便；3.对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。对于N3：uo=uo2R6/(R4+R6)(1+R5/R3)–uo1R5/R3，若取R3=R4，R5=R6，则有uo=(uo2–uo1)R5/R326（三）有源屏蔽驱动电路差动放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2∞+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4∞-++N2∞-++N327什么是有源屏蔽驱动电路？将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。应用于何种场合?经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。作业：p54，2-3，2-428三种常用电路：（一）由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路（第1-2版-自学）（二）自动调零放大电路（三）低漂移单片集成运算放大器四、稳零放大电路29∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)电路原理图UoC1UiR1R2K1-++N1c)调零放大输出K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2b)误差保持（二）自动调零放大电路30由图a，当N3输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失调调零状态，见图b。可推出：Uc1＝－（Uo1＋U0s2）K2Uo1＝（－U0s1＋Uc1）K1→Uc1≈U0s1电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。可推出：Uo=－Ui(R2/R1)－U0S1K1+UC1K1≈－(R2/R1)Ui实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。31电路特点：性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路；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。321、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）什么是CAZ运算放大器？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。（三）低漂移单片集成运算放大器33问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？什么场合下采用较为合适？CAZ运算放大器输出C1G－输入C2+输入输出R2∞-++N1∞-++N2R2C1GR2－输入∞-++N1∞-++N2R2+输入a)N2处于自动校零状态b)N1处于自动校零状态C234CAZ运算放大器的特点输出信号稳定无波动电路成本较高对共模电压无抑制作用适用于传感器输出信号极为微弱，输出要求稳定，漂移极低且对共模电压抑制要求不高的地方35内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2∞+-+N1∞+-+N2+-2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)36误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时Uc2＝Uo2≈(K2U0s2+Kc2Uc)/K2＇。校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。此时，Uo=(K1+K1’K2)Ui+K1U0s1+Kc1Uc。37Uo=(K1+K1’K2)Ui+K1U0s1+Kc1Uc。斩波稳零集成运算放大器问题：﹡该电路的增益是如何提高的？﹡该电路的输入失调电压是如何减小的？﹡该电路的共模抑制比是如何提高的？﹡该电路有哪些优点？（高增益、低失调电压影响、高共模抑制比、高输入阻抗）38五、电桥放大电路何谓电桥放大电路？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。（一）单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相输入R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相输入39（二）差动输入电桥放大电路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR40（三）线性电桥放大电路uoR3R2=R（1+δ）R1uuaR1ub∞-++N41什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于