第2章测控电路课件

测控电路第2章信号放大电路1第二章信号放大电路一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？第一节放大电路的基本要求1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。测控电路第2章信号放大电路2①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；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测量放大电路的类型2对其基本要求：测控电路第2章信号放大电路3测控电路第2章信号放大电路4二、失调及补偿1输入失调电压UOS输入失调电流IOS1）1）定义：在室温25℃及标称电源电压下，为使运放的输出为零，而在输入端加入的补偿电压，这个补偿电压称为输入失调电压。2）产生的原因：运放的输入级为差动输入放大器，由于制造工艺的原因，晶体管的特性不可能完全一致，UOS=Ube1-Ube22零点漂移:失调电压随着时间和温度而变化，即零点在变化，称为零点漂移。3输出失调电压：当输入电压为零时输出电压不为零，这时输出端的电压称为输出失调电压。测控电路第2章信号放大电路54输入失调电流1）定义：在室温25℃及标称电源电压下，当运放的输出电压为零，流入放大器两输入端的静态基极电流之差。2）产生的原因：在两管的集电极静态电流相等的条件下，照成电流失调的主要原因是两管β值不完全一致。测控电路第2章信号放大电路6122(1)1iososooosuuuuRRRuuR测控电路第2章信号放大电路7一、基本反相放大电路1Z1,Z2,Z3均为电阻，则电路为反向比例放大器。2Z1为电阻，Z2为电容，则电路为积分放大器。3Z1为电容，Z2为电阻，则电路为微分放大器。4若用复杂阻容网络代替输入回路或输出回路，则电路为有源滤波器或有源校正电路。第二节典型测量放大电路测控电路第2章信号放大电路8二、反相放大电路的共同特点1.各类反相放大器的闭环增益Kf和输入阻抗Zin的数学表达式具有相同的形式，在理想状态下：12ZZKf2.输入回路电流将全部流经反馈回路。3.反相端和同向端电压相等，且等于零。这就是反相放大器所具有的“虚地”现象。1ZZin测控电路第2章信号放大电路9（一）反相放大器输入阻抗:Zi=R1优点：性能稳定缺点：输入阻抗比较低提高输入阻抗，要增大R1，要减少增益。210RUOUARUAUIUBUAKf=Uo/Ui=–R2/R1R3=R1//R2测控电路第2章信号放大电路10（二）既有较高的输入阻抗，又有较高的增益)512141(1242105441RRRRRRUIUORUCRUIUBUARUCRUOUCRUCUARUAUIR2R4,R5)541(12RRRRKf测控电路第2章信号放大电路11（四）交流反相放大电路R3=R2C1：隔直电容Kf=–R2/R1C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2∞-++N1C1C3测控电路第2章信号放大电路12交流反相放大电路C1R1：低通滤波器低端的截止频率C2R2：高通滤波器高端的截止频率22122111112RCjRZRCjZuiZZuo测控电路第2章信号放大电路13三、同相放大器(一）同相放大器共同特点:1.各类同相放大器的闭环增益和输入阻抗具有相同的形式Kf=Uo/Ui=1+Z2/Z1Z3=Z1//Z2Zi→∞2.流经输入回路的电流和流经反馈回路的电流相同I1=I23.反相端和同相端电压相等，且总等于共模电压U+=U-=UC测控电路第2章信号放大电路14(二）同相比例放大器Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=→∞uoR3uiR1R2∞-++N1测控电路第2章信号放大电路15(三）同相交流放大电路C1：隔直电容R3：C1的放电回路R3必须有Zi=R3使同相放大器失去高输入阻抗的特点uoR3uiR1R2∞-++N1C1测控电路第2章信号放大电路16同相交流放大电路C1：隔直电容R1：C1的放电回路Zi=R1（R1可选用较大的电阻）423RUCRUIUCRUCUOR2R3,R443RUCRUCUO431RRKf测控电路第2章信号放大电路17（四）电压跟随电路具有高输入阻抗，低输出阻抗，在应用电路中常用作隔离电路，R2对电路有一定的限流作用测控电路第2章信号放大电路18uouiR1R2C2C1R3∞-++交流电压跟随电路测控电路第2章信号放大电路19（五）同相比例放大器与反相比例放大器的主要差别是：1.同相输入时，输出与输入同相；反相输入时，输入与输出反相。2.同相输入时，闭环增益总是大于或等于1；反相输入时，闭环增益可大于1，也可小于1。3.同相放大器的输入电阻很高，远大于反相放大器的输入电阻。4.同相放大器的输入端存在共模输入电压，因此输入电压不能超过运放的最大共模输入电压Vicm，并要求放大器要有较高的共模抑制比；而反相放大器不存在这一问题。5.同相放大器的闭环带宽比反相放大器的闭环带宽宽。测控电路第2章信号放大电路20四、差动放大器(一）什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，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。采用差动放大电路，有利于抑制共模干扰（提高电路的共模抑制比）和减少温度漂移。测控电路第2章信号放大电路21（二）差动放大器性能利用电路的线性叠加原理若3412RRRR)12(12uiuiRRuo24341212212431221121)1(14)1(iioooioioURRRRRURRUUUURRRRRUURRU测控电路第2章信号放大电路22（三）分析电路的共模抑制性能ud=ui1﹣ui2,uic=(ui1+ui2)/2ui1=uic﹣1/2udui2=uic+1/2ud若R1=R2，R3=R4，则uo=﹣(R2/R1)ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic﹣(R3/R1)uic当R1=R2，R3=R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分.R2uoR4ud/2R1∞-++N1R3ud/2uic测控电路第2章信号放大电路23五、高共模抑制比放大电路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。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。测控电路第2章信号放大电路24（一）双运放高共模抑制比放大电路1反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2uo=0通常取R1=R5，R2=R4这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关电路输入阻抗低ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2测控电路第2章信号放大电路25例题（2-3）图2-13b所示电路，N1、N2为理想运算放大器，R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。解：由图2-8b和题设可得：u01=ui1(1+R2/R1)=2ui1u0=ui2(1+R4/R3)–2ui1R4/R3=2ui2–2ui1=2(ui2-ui1)所以其闭环电压放大倍数Kf=2。测控电路第2章信号放大电路262、同相串联结构型uo1=(1+R2/R1)ui1(ui2–uo1)/R3=(uo–ui2)/R4uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1ud=ui1﹣ui2uic=(ui1+ui2)/2uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1idicoURRRRRRURRRRU)321(21)1(142343142测控电路第2章信号放大电路272、同相串联结构型为了获得零共模增益R1/R2=R4/R3Kd=1+R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1idicoURRRRRRURRRRU)321(21)1(142343142测控电路第2章信号放大电路28（二）三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/RpR5/R3=R6/R4uo=(uo2–uo1)R5/R3ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3测控电路第2章信号放大电路29例题：（2-4）图2-14所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100k，RP=10k，R3=R4=20k，R5=R6=60k，N2同相输入端接地，试求电路的差模增益？电路的共模抑制能力是否降低？为什么？解：uo=(uo2–uo1)R5/R3=3(uo2–uo1)uo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp=11ui1uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rp=–10ui1uo=3（–10ui1–11ui1）=–63ui1电路的差模增益为63。电路的共模抑制能力将降低，因N2同相输入端接地，即ui2=0，ui1的共模电压无法与ui2的共模电压相抵消。测控电路第2章信号放大电路30特点：1、目前广泛应用的高共模抑制比放大电路2、N1，N2是两个性能一致的同相输入通用集成运放，构成平衡对称的差动输入级，N3构成双端输入单端输出级。结论：1.当输入级的两个运放性能一致时，该级差动输出及其增益只与差模输入电压有关。2.输入级的共模输出、失调及漂移均在Rp两端相互抵消。3.单片集成运算放大器AD612,AD61测控电路第2章信号放大电路31什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。（三）有源屏蔽驱动电路测控电路第2章信号放大电路32（三）有源屏蔽驱动电路差动放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2∞+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4∞-++N2∞-++N3测控电路第2章信号放大电路33（四）浮动电源共模自举式放大电路u2R0uoRPN3R0u1ucA+E-Eui1ui2∞+-+N1∞-++N2∞+-+N4∞+-+N5∞-++uA测控电路第2章信号放大电路34五、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。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。测控电路第2章信号放大电路35（一）单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相输入测控电路第2章信号放大电路364)2/(1)121(/),1(3,421)42)(31(4132)121()313424(URRuoRRRZRZZZUZZZZZZZZRRuoUZZZZZZuab测控电路第2章信号放大电路37结论:输出电压与桥臂电阻的相对变化率是成非线性关系，只有当δ1时，才成近似按线性变化。特点：1.电桥电源是浮置2.单端输入电桥放