同相放大器开环增益

检测与控制电路基础第4章信号调理第1讲（共4讲）第1讲：信号调理基本概念运放特性参数电平转换的电路设计第2讲：调制与解调线性化的处理方法第3讲：信号变换电路设计第4讲：信号隔离滤波器设计本讲主要内容第一部分信号调理基本概念信号调理在数字测控系统中的位置数据采集单元要求：信噪比高、接口有要求被测信号：微弱、过大、有噪声信号调理目的：将被测信号转换成可适合后续处理单元接口的信号检测电路与信号调理电路一般可以合二为一，关于电阻抗检测通常归结为信号调理电路典型信号获取系统信号调理分类•电平调整：对电压信号进行放大（或衰减）•线性化：非线性特性对于动态测量很不利，会导致信号波形发生畸变–线性化作用：扩大传感器相应特性的线性范围•信号形式变换：从一种形式转换为另一种形式–如V/I,I/V,f/V,f/I,V/f等–电阻抗转换•滤波和阻抗匹配–无源滤波、有源滤波–阻抗匹配，减小误差电平调整•目的：得到所需的量程范围、精度、分辨率无源电平调整•实际应用中要考虑•作为前级（传感器）电路的负载，要求输入阻抗高，作为后级电路的输入端，要求输出阻抗小•大阻值电阻的精度、噪声差适用于精度要求不高的场合有源电平调整有源电平调整电路注意几点：•供电电源的限制：–余量、轨到轨•带宽的限制•噪声抑制•放大器其他特性的影响理想放大器的要求开环增益共模抑制比输入阻抗输出阻抗频带宽度没有温度漂移vACMRRinR0RoutBW实际运放有限开环增益输入偏置电流、输入失调电流最大差模输入电压、最大共模输入电压差模输入电阻、开环输出电阻输入失调电压温度漂移共模抑制比上升速率开环带宽、单位增益带宽1）失调及漂移引入的误差（1）反相放大器的失调及漂移引入的误差基本放大器的误差分析根据实际运放的等效模型并对反相输入点应用KCL得：若取补偿电阻Fopbposbnfpbposin.RVRIVIRRIVVFfp//RRR可得结果说明设置补偿电阻后可消除由平均偏置电流及其漂移的误差影响，这也就是反相放大器要在同相输入端设置补偿电阻的原因。osFosfFinfFo)1(IRVRRVRRVbI输出误差电压为折算到输入端的误差电压考虑最坏的情况将失调与漂移分别考虑有其中ΔVos、ΔIos分别是温度、时间、正负电源的函数。osFosfFoe)1(IRVRRVosfosFFoeie)||11(IRVAAVVosfosFosfosFie)||11()||11(IRVAIRVAV（2）同相放大器共模抑制比、失调及其漂移引入的误差解之得inp'bp'osic'bnFofCMRRVRIVVVIRVVRV'bnfFFfp'bp'osicinfFoCMRR1IRRRRRIVVVRRV令输出误差电压为2)()(CMRR'ospfFfF'bpfFfF'osicinFoIRRRRRIRRRRRVVVAV'osp'osicFinFoCMRRIRVVAVAV)CMRR('osp'osicFoeIRVVAVfFfFpRRRRR折算到输入端为由于失调是可以调零的，因此考虑CMRR及失调漂移时的误差电压显然电压跟随器组态时若Rp=0，要求RF=0，这对减小定态误差是有利的，但不利于堵塞时的输入级保护。'osp'osicieCMRRIRVVVosposicieΔCMRRIRVVV2）开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差（1）反相放大器开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差根据图可以得到方程组pidFooovoLoidFofin)(ZZVVVZVVZVVVAZVZVVZVVZVV解方程组得考虑开环增益、输入阻抗、输出阻抗时的闭环增益为式中)j()j(111voFFFAAAfFFZZA)1(//////1)j(idpFoLFLFvovoZZZZZZZZZAAo)(11)j(FfFfpidZZZZZZFF（2）同相放大器开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差可列出下列方程组cidpinLoFooovoFcfidoZVZVVZVVZVZVVZVVVAZVVZVZVZVV解之得其中)j()j(111)j()j(''voF'FFAAAFLovo'vo//1)j()j(ZZZAAcpfFpid'//11)j()j(ZZZZZZFF结果说明：运放的开环增益、输入输出阻抗的非理想性使运放的实际开环增益及电路的实际反馈系数减少，导致回路增益的下降，闭环增益产生误差，因而产生运算误差。显然Avo越大，输入阻抗越大，输出阻抗越小，误差越小。3）动态误差（1）反相放大器的动态误差①频域误差反相放大器在交流工作条件下，输入信号为正弦波时，由于闭环带宽的有限性将产生幅度误差和相位误差，这就是所谓的频域误差。反相放大器的频率特性2FBWFF)(1||)(ffAA)(tgπ)ω(FBW1Fff当f≤fFBW时，反相放大器的幅度绝对误差为相位绝对误差为||)()(F'F'FAAfA)1)(11(2FBWFffA6FBW4FBW2FBWF)(642531)(4231)(21||ffffffA)(tgπ)()(FBW1FFffΦfΦ当ffFBW时，有上述结果说明，在反馈深度一定的前提下，运放的增益带宽积越大，则闭环–3dB带宽越宽，频域误差越小。2FBWF'F)(2||)(ffAfAFBWF)(fffΦ②时域误差当反相放大器的输入信号是瞬变的脉冲信号（阶跃信号）时，电路的阶跃响应特性成为重要的特性。由于运放带宽和上升速率的有限性，其响应速度是有限的，因而阶跃输入不会导致阶跃输出，这样在时间域中出现动态误差，即时域误差。设阶跃信号为)(u)(inintEtV则求拉氏反变换有该式说明，在带宽有限的条件下，阶跃输入不再产生阶跃输出，理论上只有当t=∞时，输出才达到理想值vo(∞)=–AFEin。sEfsAsVinFBWFoπ21)()1()(FBWπ2inFotfeEAtv因此时域误差为显然，反相放大器的时域误差也是由运放的增益带宽积不为理想所引起，若增益带宽积AvoF=∞，则fFBW=∞,时域误差为零。%100%100)()()(FBWπ2oootfeVtVV（2）同相放大器的动态误差与反相放大器相同，同相放大器也存在频域误差和时域误差，且也是由电路的闭环带宽的有限性引起的。由于同相放大器的增益表达式形式与反相放大器相同，因而频率特性也一致。4）结论①失调及其漂移通过在运放的输入端引入误差输入电压导致运算误差。②开环增益、输入输出阻抗通过改变回路增益，引起闭环增益的误差，从而导致运算误差。从导出的实际运算公式，可以得出如下结论：①为了减小失调及其漂移引入的误差，应提高闭环增益，减小输入回路电阻阻值，选择失调及其漂移小的运放，另外要设置同相端的补偿电阻。要求同相放大器的运放要有高的共模抑制比。②为了减小闭环增益误差，应选择输入阻抗高、输出阻抗低且开环增益大的集成运放。③运放的增益带宽积导致电路的动态误差，误差与增益带宽积成反比，因此应尽量选择增益带宽积大的运放。基本放大器的总关系式为：))(j(ieinFoVVAV5）基本放大器的设计（1）运算放大器的选择选择运算放大器要根据实际应用的要求，从获得最高性能价格比的角度来选择。选择运算放大器时应根据使用的场合侧重考虑相关的指标。①静态小信号应用时重点考虑以下指标a)失调及漂移。其中重点是漂移，因为失调是可以通过调零电路加以调零的，而漂移是无法调零的，它是运算静态误差的主要来源，而减小漂移误差的主要途径是选用失调漂移小的运算放大器。虽然加大闭环增益，减小输入回路电阻可以减小漂移误差，但这些措施受到电路的输入电阻及反馈回路电阻取值的制约。b)开环增益、输入电阻、输出电阻。这三个指标直接影响回路增益，从而影响闭环增益的精确度，因此要尽量选取大开环增益、高输入电阻、低输出电阻的集成运放，其中最主要是考虑开环增益及输入电阻两项指标，输出电阻一般都较小，对运算误差的贡献一般较之开环增益及输入电阻小得多。c)输入等效噪声。输入等效噪声在微弱信号放大器中是必须考虑的重要指标，输入等效噪声过高将淹没需要放大的微弱信号，致使需检测的微弱信号无法被放大。d）对于同相放大器还要特别注意考虑运放CMRR和Vicm两项指标，要尽量选择高CMRR、Vicm的运放，一方面减少定态误差，另一方面防止堵塞。②动态大信号应用时重点考虑以下指标：a)增益–宽带积。尽量选择大增益宽带积的运放，以减少动态误差。b)上升速率。该指标在大信号工作条件下，限制了放大器输入信号的频率若违反该式，则输出波形将出现较大的失真。maxopπ2SRVff（2）外围电路元件的选择一旦集成运算放大器的型号已选定，则运算的准确度由外部电路元件确定。反馈回路电阻取值方法如下：此时回路增益为最大值，闭环增益误差最小，RF的阻值为最佳值。FRRR2oidF需要指出的是，由于运放额定输出电压及电流的限制，RF是放大器的负载电阻之一，因此一旦设计完成，则负载电阻也就受到限制，有omaxomaxLF//IVRR以OPA177运放为例阐述具体运放的参数OPA177单运放内部原理图开环增益iovVVA)(log20dBVVAiov输入失调电压Vos输入偏置电流、输入失调电流最大差模输入电压、最大共模输入电压共模抑制比CMRR差模输入电阻、开环输出电阻上升速率SR开环带宽、单位增益带宽运放的两种基本电路电压跟随器要求CMRR高运算电路仪用放大器（IA）INA118实例分析•压力传感器输出特性：–差动电压输出–零压力时输出电压：33mV–输出电压最大值：58mV•数据采集卡输入范围：0.5~4.5V调理电路的性能设置•电压变动范围：58mV-4V（留0.5V余量）•零压力输出：0.5V•差动电压转换为对地电压•高共模抑制比•高输入阻抗•低输出阻抗输入信号：33mV~58mV差动输入（存在一个偏置电压）DAQ：0.5~4.5V信号调理：58mV-4V33mV-0.5V差动输入-单端（零偏置）高输入阻抗低输出阻抗高CMRR设计参数计算•增益：•33mV*140=4.62V•58mV*140=8.12V•需要加：-4.12V偏移•传递函数：•Vo=140*Vsensor-4.1214033585.04mVmVVVVVAiov双运放构成的电压调整电路refiioVRRRRVRRVRRRRV123423411234)1()1(2134RRRR令：有：refiioVVVRRV))(1(2134Vref产生VccRRRVrefrefrefref212（1）Vcc必须稳定（2）等效电阻必须小于R1一个数量级（3）对R1的影响不仅改变Gain，而且降低CMRR增益可调的双运放电压调整电路refiGGiGGoVRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRV1234223443411234234434)1()(令13214RRRR则refiiGoVVVRRRRV）（12434-)21(带有负电压调整项的电压调整电路)()1()(241234223443411234234434ccioffrefiGGiGGoVVRRVRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRV令13214RRRR则)(-)21(2412434cciof