测控电路课件第二章

第二章.信号放大电路2.信号放大电路何谓信号放大电路？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者驱动指示器、记录器以及各种控制机构的电路称为信号放大电路。由于传感器输出的信号形式和大小不同，传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样，因此所采用的放大电路形式和性能指标也不一样，使得放大电路种类多种多样。2.信号放大电路差动放大电路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隔离放大电路电荷放大电路增益可控放大电路随着集成技术的发展，集成运算放大器的性能不断完善，价格降低，目前主要采用由集成运放组成的各种形式的放大电路或单片集成放大器。2.信号放大电路2.1测量放大电路的误差与补偿2-1运算放大器件的理想和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测量放大电路的误差与补偿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。失调漂移：固定的失调可以通过调整来解决。如：输入失调电压和失调电流可采取一定的方法调整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2.1.2、失调及补偿1.输入失调电压UOS理想运放，输入电压为零，输出电压也为零。实际运放，须在运放的两个输入端外加一补偿电压，使运放输出电压为零。该直流电压就是输入失调电压。2.输入失调电流Ios＋－Aod＋－ΔUod＝0IB1IB2集成运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差。IIO＝｜IB1－IB2｜2.1.3转换速率和最大不失真频率转换速率SR是指运算放大器的输入信号为正弦信号，而输出为三角波时，其三角波的斜率，用V/us表示。它表示输出电压能够跟踪输入电压的能力。uSRtmaxsin,2mmmduuUtUfUSRdtmax2mSRfU最大不失真频率2.1.4运算放大器的振荡与相位补偿在负反馈中，若输出与输入之间的相移达到180°，便可产生自激振荡。为避免自激振荡，最好办法在运算放大器的适当位置加RC补偿网络。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。2.信号放大电路2.2噪声噪声又可分为白噪声和色噪声。白噪声是指噪声的波形是随机的，其幅值、相位、频率都是随机的，瞬时值不能预测。色噪声指噪声频率固定，如接地噪声。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)。kTRBtU4)(t热噪声由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声电路中的固有噪声有热噪声、低频噪声、散弹噪声。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，由于噪声电压的方均值与频率的大小成反比，故又称为1/f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)。baffIktU12)(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，这种脉冲电流的平均值为0，但方均值不为零，用下式表示：BqIIDCsh2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)。散弹噪声散弹噪声电流的方均根值正比于B1/2,与频率的大小无关，是一种白噪声。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。2.3典型测量放大电路用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的电路称为测量放大电路（仪用放大电路）测量放大电路结构形式多样：电桥放大、电流放大等传感器输出信号微弱，电路和环境噪声都会对放大电路造成干扰，因此对测量放大电路有要求基本要求：①测量放大电路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。以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。2.3.1测量放大电路的基本要求R2ui+∞-+NR1R3测量放大电路更加突出“精”和“灵”的要求，噪声、干扰和漂移是误差的主要来源。针对噪声、干扰和漂移的抑制，重点讲解将共模抑制比放大电路与低漂移放大电路测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。从灵和安全可靠出发，还需要：①可调闭环增益放大电路；②参量放大电路；③电荷放大电路；④隔离放大电路。也有利于提高精度。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uoui+∞-+NR1R2R312fRRK反相放大电路2.3.2反相放大电路优点：性能较稳定，缺点：输入阻抗低，一般能满足要求1iZR改进电路24(1)15RRKfRR244(1)152RRRKfRRRN∞uiuoR1R2R3R4R5既可有高输入阻抗，又有足够的增益。24RR为了抑制噪声和降低成本，简化结构，通常把放大器和滤波器(通常是低通滤波器)设计成一体低频截止频率由C1和R1决定，高频截止频率由C2和R2决定uiN∞uoR1R2R3C1C2交流反相放大电路2.3.3同相放大电路（一）ui+∞+-NuoR1R2R312f1RRK特性：输入阻抗高，有易受干扰的缺点。'3211iiKZZRRR输入阻抗为：K为运算放大器的开环增益；Z’I为运放的开环输入阻抗同相放大电路除了用于前置放大外，还经常用于阻抗变换或隔离。同相放大电路的一种形式电压增益为1R1、R2是平衡电阻，为了消除运算放大器的输入偏置电流的影响N∞uiuoR1R2跟随放大电路特性：输入阻抗很高，输出阻抗近似为零，放大倍数Kf为1，只进行阻抗变换，常作为缓冲级。uiN∞uoR1R2R3R4C1低频交流放大电路为了得到较低的低频截止频率和避免使用过大的电容，R1选用较大的阻值。为了消除输入偏置电流的影响，反馈网络采用了“Y”形网络，使运放输入端电阻尽可能相等。为减少器件种类取R1=R223,4314fRRRRKRuo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu2.3.4基本差动放大电路叠加原理2.3.4基本差动放大电路i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu取R2/R1=R4/R3)(i1i212ouuRRu电路具有共模抑制能力。uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3在差分放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动等，都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要放大的差模信号。所以要抑制共模信号。常用共模抑制比作为一项衡量差分放大电路抑制共模信号的能力的技术指标。共模抑制比愈高，抑制共模信号的能力越强。补充：实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3，为分析电路的共模抑制性能i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuiddiccid12121434ic12121434o21uKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuuKc：共模电压增益Kd：差模电压增益为了得到最大的共模抑制比，令Kc=0,CMRR→∞,此时R2/R1=R4/R3。1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR为了减少器件品种和提高公艺性，常使R1=R3,R2=R4.此时uo=(R2/R1)uid,电路对差模信号进行放大。特性：电路结构简单共模抑制比高输入阻抗低，增益调节难，应用受限常用作测量放大器的后级集成化的差动放大芯片具有更好的性能，主要体现在共模抑制比和温度性能。这类芯片有：INA105，INA106，INA117等传感器输出信号都有共模电压，一般差动输入集成运放抑制它，要求外接电阻平衡对称、运放有理想特性。否则将有共模误差输出。一般运放共模抑制比可达80dB,而采用几个集成运放组成的测量放大电路，共模抑制比可达100-120dB2.3.5高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型N1∞ui1uoR1R2R3=R1//R2R4R5ui2N2∞R7=R4//R5//R6R612266145oiiRRRuuuRRR2.3.5.1双运放高共模抑制比放大电路当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时,输出电压为0，共模信号得到了抑制。这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低。通常，为了使ui1、ui2负载相同，取R1=R5,则R2=R412266145oiiRRRuuuRRR2、同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特点：1.同相输入、高输入阻抗；2.对于N2仍然是差动放大电路1i121o)1(uRRu4o2i32i1oRuuRuu1i34122i34o)1()1(uRRRRuRRuuoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1因为id314234ic3142o)21(21)1(uRRRRRRuRRRRu3421RRRR为了获得零共模增益，取34d1RRK424313241321121RRRRRRCMRRRRRRuoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1以上两个运放组成的测量放大电路共模抑制比约100dB)()(211i2id2i1iciiuuuuuu则电路的差动闭环增益为2.3.5.2三运放高共模抑制比放大电路N1、N2为两个性能一致（输入阻抗、共模抑制比、增益）的同相输入放大器，构成平衡对称的差动输入级。ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3N3构成双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1、N2的共模信号0i12i11o1i22i2oRuuRuuRuuIR2i011i011o)1(uRRuRRu1i022i022o)1(uRRuRRu))(1(1i2i0211o2ouuRRRuu0211i2i1o2od1RRRuuuuK电路特点：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。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N20211i2i1o2od1RRRuuuuK(1)当N1、N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在R0两端相互抵消，因此电路具有较好的共模抑