第2章信号放大电路

第2章信号放大电路信号放大器是为了将微弱的传感器信号放大，直至足以推动指示器、记录器或各种控制机构。通常传感器约输出信号只有几毫伏，甚至更小；而输入到放大器的噪声与放大器件自身产生的噪声往往大于放大器的输入信号。如何减少噪声？或是将信号和噪声分离，是信号放大器设计者的一个重要课题。本章先介绍各种信号放电路，后面将介绍有关噪声的基础知识。2.1信号放大电路概述一、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。二、对放大电路的基本要求：①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。三、测量放大电路的类型测量放大电路的类型很多，有低噪声放大电路、高输入阻抗放大电路、高共摸抑制比放大电路、差动放大电路、电桥放大电路、电荷放大电路、程控放大电路等。也可分为反相放大电路、同相放大电路、差动放大电路等。四、几个重要术语开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压u0s输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比KCMRR=差模增益Kd/共模增益Kc五、信号放大器的组成信号放大器通常有前置级、主放级、功放级三部分组成。功放级：主要是提供给负载必要的功率P、设计时应注意负载和输出阻抗之间的匹配，以及输出信号的失真问题。主放级：主要为了得到一定的放大倍数K和驱动功放级，较少受信噪比S/N和负载条件的影响，设计灵活性大。由于高增益线性集成运放的性能日趋完善和价格下降，具有良好的性能、价格比。因而主放级常采用线性集成运算放大器。前置级：用于放大传感器的微弱信号、并推动主放级。该级主要考虑使传感器和放大器的匹配，若使传感器的源电阻与放大器的输入阻抗匹配时，可获得尽可能高的输出信噪比。目前该级常采用低噪声的晶体管或场效应管，也有直接采用低噪声集成线性放大器，再加上适当的负反馈组成前置级。信号放大电路的一个例子：uoR3uiR1R2∞-++N12.2.1反相放大电路反相放大电路基本形式如右图所示。2.2典型的测量放大电路放大电路的增益及平衡电阻：Kf=uo/ui=–R2/R1R3=R1//R2uoR3uiR1R2∞-++N12.2.2同相放大电路同相放大电路基本形式如右图所示。放大电路的增益平衡电阻及输入电阻：Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=Kzi’/(1+R2/R1)+R3→∞zi’为运算放大器的开环输入阻抗。uoR3uiR1R2∞-++N1C1C32.2.3交流放大器1.反相交流放大电路如右图所示。增益：Kf=–R2/R1平衡电阻：R3=R2C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2∞-++N1C12.同相交流放大电路同相交流放大电路如右图所示。增益：Kf=–R2/R1平衡电阻：R3=R2C1：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uoR3uiR2∞-++N1C1iuu03.交流电压跟随电路同相放大电路的特例又称交流电压跟随电路。为减小失调电流，R3=R2uoR1R2C2C1R3∞-++ui放大电路的输出电压通过反馈加到反相输入端，由于虚短，此跟随电路R1两端等电位，即R1两端无电流流过，R1趋无穷大。输入电阻21RRRi4.自举式高输入阻抗放大电路a)同相交流放大电路uouiR1R2C2C1R3∞-++b)交流电压跟随电路电路图如右，原理同上。这种利用反馈，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路称为自举电路。自举电路不仅用于提高输入阻抗的交流放大器中，也可用于同相电压跟随器中，都具有高输入阻抗的特点。uouii1i2R1iiuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)c)自举组合电路自举电路如右图所示。输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当R2=R1时，Ri→∞i2=i1推导过程如下:的。一般放大器是无法实现输入阻抗高达当，差，若偏差为实际应用中总有一些偏，时，理论上，当,10,10%01.022))(2(,21211221211221133102130031022021MkRRRRRRRRIURURRRRRUURUIUURRRRUURRUURRURUURUIiiiiiiiiiiiiiiiuouii1i2R1Iiuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)d)自举电路需注意的问题何谓自举电路?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？不是的。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。2.2.4差动放大器1.什么是差动放大器？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。R2uoR4ui2R1∞-++N1R3ui1R3uoR4ud/2R1∞-++N1R2ud/2uic基本差动放大电路如下图a)所示。2.典型的差动放大器a)基本电路b)共模与差模输入R2R4ui2R1uoR3ui1等效电路若R2/R1=R4/R3，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,如图b)所示,有ud=ui1﹣ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得2434121120))(1(iiuRRRRRuRRuicicuRRRRRuRRu))(1(43412120当R1=R3，R2=R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分。差模、共模信号共同作用时，有iddiccuKuKu0共模抑制比为：CMRRccdCMRRKKKKK,0工程上R1=R3，R2=R4时，即输出信号中无共模信号成分，只对差模信号进行放大。电路的共模抑制比为不仅取决于电阻的匹配精度，还取决于运算放大器的共模抑制比、开环增益和输入阻抗等参数，甚至电路的分布参数也会影响到电路的共模抑制比。电阻的误差越小，差动增益越大，共模抑制比越高。一般来讲，集成化的差动放大电路性能好，主要体现在共模抑制比高，温度性能好。如INA105、INA106、INA117等。抑制零点漂移通常采用差动放大电路。补充一：直接耦合放大电路的零点漂移现象1.零点漂移现象及其产生原因=0零点漂移现象示意图零点漂移（零漂）（1）零点漂移0u0u0I，时理论上：0u0u0I时，实际上：输入电压等于零时，输出电压偏离某一值且缓慢变化的现象→零点漂移直接耦合放大电路+-uo+-mV（a）测试电路uIuo0t（b）输出电压的漂移（2）产生零点漂移的原因主要原因：环境温度温度漂移（温漂）2.抑制温度漂移的方法RbRc+VccuiT+-+-uoC1+ＤuiRb2Rc+VccT+-+-uoC1++C2Rb1ReCeRLＤ（1）在电路中引入直流负反馈→IC↑→UE↑→UD↓→UB↓T(℃)↑→UBE↓→IC↓（3）采用“差分放大电路”IC↑→ID↑→IB↓→IC↓T(℃)↑BDRIIIb（2）采用温度补偿的方法（利用热敏元件来抵消放大管的变化）RbRc+VccuiT+-+-uoC1+Ｄ3.衡量零漂的方法TAuuuI0折合至输入端的漂移Iu输出端的漂移0u环温的变化T多级放大电路中，第一级漂移最严重，减小零点漂移，应减小第一级零漂补充二：差分放大电路→放大两个输入信号之差线性差分放大电路uI1uI2u0在电路完全对称的情况下)(210IIuuuAu差模信号21IIIduuu共模信号221IIICuuuIcIdIuuu211IcIdIuuu212差模输入信号：大小相等、极性相反的一对输入信号。共模输入信号：大小相等、极性相同的一对输入信号。在差模和共模输入并存的条件下，ICcIdduAuAu0差模增益IdodduuA共模增益IcocCuuA1.长尾式差分放大电路图长尾式差分放大电路Rb1Rc1uI1T1+uoRe-Rb2Rc2+VCCuI2T2iE1iE2-VEEiB1iB2iC1iC2uC1uC2T1、T2为对管，β1=β2=βbebeberrr21cccbbbRRRRRR2121,（1）静态分析021IIuuEEeEQBEQbBQVRIURI2直流通路Rb1Rc1T1+uoRe-Rb2Rc2+VCCT2IEQ1IEQ2-VEEIBQ1IBQ2ICQ1ICQ2-VEEBEQEQUUeBEQEEEQRUVI21EQBQIIBEQcCQCCEQCQCEQURIVUUU21CQCQUU由于021CQCQOUUu所以利用T1管T2和管具有相同的温度特性，较好的抑制了零点漂移Rb1Rc1T1+uoRe-Rb2Rc2+VCCT2IEQ1IEQ2-VEEIBQ1IBQ2ICQ1ICQ2-VEE21CQCQIIT21CQCQUU)()(22110CQCQCQCQUUUUU=0（2）对共模信号的作用2121CCBBiiiiICIIuuu2121CCuu0)()(221121CCCCCCocuUuUuuu对共模信号（无放大作用）起抑制作用差分放大电路输入共模信号图Rb1Rc1T1+uocRe-Rb2Rc2+VCCT2iE1iE2-VEEiB1iB2iC1iC2uI1uI2+-uIcEuC1uC2差分放大电路输入共模信号图Rb1Rc1T1+uocRe-Rb2Rc2+VCCT2iE1iE2-VEEiB1iB2iC1iC2uI1uI2+-uIcEuC1uC2射极电阻Re对共模信号的负反馈作用共模放大倍数AcIcOccuuAuIc——共模输入电压uIc↑→iB1↑→iC1↑(iE1)↑→uE↑→uBE1↓→iB1↓uIc↑→iB2↑→iC2↑(iE2)↑→uE↑→uBE2↓→iB2↓在图所示差分放大电路中iC2↓iC1↓uOc——uIc作用下的输出电压理想对称的情况下Ac=0。实际上Ac≠0温度漂移可等效为输入端的一对共模信号，Ac越小，抑制零漂作用愈强。(3)对差模信号的放大作用)(21bebBIdrRiu图3.3.5差分放大电路加差模信号Rb1Rc1T1+uOd-Rb2Rc2+VCCT2iE1iE2Re-VEEiB1iB2iC1iC2uI1uI2+-EuC1uC2+-2Idu+-IduRL2Idurbe1Rb2Rc22iB2uId+-2LRRb1Rc1rbe2+-uOd1iB1iB2iB12LRbebLcbebBLcBIdOddrRRRrRiRRiuuA)2//()(2)2//(21111)2//(211LcBOdRRiuIdIuu211IdIuu21221EEIdiiu流过Re的电流增量021EEEiiiRe对交流信号视为短路C2C1uu同理RL中间位置相当于交流地差模放大倍数AdIdOdduuA)(2bebirRR输入电阻coRR2输出电阻（4）共模抑制比cdCMRAAK在电路参数理想对称的情况下，KCMR=。（5）电压传输特性线性关系uOduId0差分放大电路的电压传输特性图——放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即uO=f(uI)越大，抑制温漂能力越强截止。饱和，时，到某一值当21IdTTu趋于恒值。恒值0CCuii212.差分放大电路的四种接法（1）双端输入双端输出电路RbRcT1+-RbRc+VCCT2Re-VEEuI1uI2+uC1uC2-Iu