儀器電子技術應用第二章信號放大電路

1、儀器電子技術應用第二章信號放大電路放大電路基本知識集成運算放大器專用信號放大器（一）儀表放大器（二）隔離放大器（三）可編程放大器（四）低漂移放大器（五）寬帶高速放大器作業(yè)和預習作業(yè)：列出10種儀器，舉1例說明其內部電路構成和特點。負反饋，增益帶寬積等 提問datasheet：, ,A741，各種性能參數的含義，提問INA114，原理，輸出推導，討論PGA103，原理，使用，討論放大電路基本知識類型： 電壓、電流、互阻、互導性能指標： 輸入電阻/輸出電阻、增益、頻率響應及帶寬、非線性失真負反饋 （1927年，貝爾實驗室，Harold Black，渡船）?概念（-深度負反饋）影響： 改善失真（線性

2、（擴展帶寬）/非線性） 降低靈敏度（提高穩(wěn)定性） 改變輸入輸出阻抗 不能提高信噪比四種負反饋 （輸入串聯/并聯反饋會增加/減小輸入電阻 輸出串聯（電流）/并聯（電壓）反饋會增加/減小輸出電阻 ）集成運算放大器電子電路的基本器件！60年代初，仙童（Fairchild)，741，工業(yè)標準性能優(yōu)異近似理想特性，如電壓增益高（80-140dB）實現信號源、放大器和負載的直接耦合連接輸入零電平輸出也是零電平低頻響應擴展到直流工藝（雙極型、MOS、BiMOS等）通用/專用集成運算放大器總體結構u-u+ uo國際標準符號國家標準符號uouid+VCCVEE8通用型集成運放741LARGE INPUT VOL

3、TAGE RANGE .NO LATCH-UP .HIGH GAIN .SHORT-CIRCUIT PROTECTION .NO FREQUENCY COMPENSATION REQUIREDThe UA741is a high performance monolithic operational amplifier constructed on a single silicon chip.It is intented for a wide range of analog applications. (.Summing amplifier .Voltage follower .Integrat

4、or .Active filter .Function generator)The high gain and wide range of operating voltages provide superior performances in integrator, summing amplifier and general feedback applications.The internal compensation network (6dB/octave)insures stability in closed loop circuits.AB電路圖1. 偏置電路：T12、R5和T11構成了

5、主偏置電路，產生基準電流： 其他偏置電流都與基準電流有關。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。T12和T13管構成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流的大小比例為1:3。B路作為中間級的有源負載。A路為輸出級提供偏置。電路分析12. 輸入級： T1 、T2和 T3 、T4管組成共集一共基復合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。 T3 和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達到30V以上。 T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3組成具有基極補償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級

6、的有源負載，可以提高輸入級的增益。 它們同時還有單端輸出轉換為雙端增益的功能。電路分析23. 中間級： T16和T17是復合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負載。 T14和T20管組成互補對稱輸出級，恒壓源電路T18、T19和 R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和 R9保護T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。 T21、T23、T22管和 R10保護 T20管在負向電流過大時不致燒壞。4. 輸出級：電路分析3電路分析4頻響校正電容:唯一，30pF消除自激振蕩輸入失調調零電位器：20K微調T5、T6發(fā)射極電流，使運放輸入0，輸出0一般不接（破壞平衡、熱平衡特性差 增加

7、溫漂） 1.輸入失調電壓UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。一般mV數量級，高精度 V數量級溫度漂移數十 V/度，高精度1 V/度以下 2.輸入失調電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。集成運算放大器的主要參數1 4.輸入失調電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 1 nA 0.1 A 3.輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。雙極性晶

8、體管輸入10 nA 1 A，場效應晶體管輸入一般小于1 nA主要參數2 5.最大差模輸入電壓Uidmax 運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現反向擊穿現象。 6.最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現飽和，放大器失去共模抑制能力。主要參數3主要參數4 7.開環(huán)差模電壓放大倍數 Aod ： 無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100120dB左右，高增益運放可達140dB以上。 8.差模輸入電阻rid ： 雙極型管輸入級約為105106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。 9.共模抑制比

9、 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。 11.全功率帶寬 FBPW ： 運放的閉環(huán)電壓增益為1，輸入正弦大信號并規(guī)定負載和指定輸出電壓的失真等條件下，使運放輸出電壓的幅度達到最大值時的信號頻率，受SR限制 。 10.轉換速率S R (壓擺率)： 額定負載，階躍大信號輸入，輸出電壓的最大變化率。反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。普通為1V/us。主要參數5 12.建立時間ts： 閉環(huán)增益1，一定負載，階躍輸入信號，運放輸 出電壓達到特定值范圍所需時間。 13.等效輸入噪聲電壓UN： 輸出噪聲電壓等效到輸入端，

10、普通輸入噪聲電壓有效值為1020uV。 主要參數6 14.開環(huán)帶寬 SW ： 開環(huán)增益從直流增益下降3dB所對應的信號頻率 15.單位增益帶寬GB ： 閉環(huán)增益為1，正弦小信號驅動，閉環(huán)增益下降3dB所對應的信號頻率 16. 增益帶寬乘積GBW ： GBP=Afb 通常為定值。(同相741為1MHz) 開環(huán)-閉環(huán)頻帶寬度增益帶寬積 例:用741設計一個增益為60dB的音頻放大器. 音頻:20k 增益1000 GWP=?擴頻帶，兩級同向放大級聯 【例】已知：信號幅值20nV、50KHZ； 放大器帶寬1MHZ、增益1000、輸入噪聲5nV/問題：1、放大器能否檢測到信號？2、若放大器不能正確檢測到

11、信號，應采取什么措施？輸出信號：輸出噪聲：分析：采用帶通放大器：中心頻率50KHZ Q=100 帶寬為500HZ輸出噪聲：采用鎖相放大器：中心頻率50KHZ Q=很高 帶寬假設輸出噪聲：噪聲集成運放使用注意加電源（怎么加？）有電流正負電源間（靜態(tài)電源電流），mA ； 輸出與負電源間功耗，mW 靜態(tài)限制：輸入偏置電流/輸入失調電流；輸入失調電壓；輸出電壓范圍；輸出飽和（rail-to-rail）動態(tài)限制：開環(huán)；閉環(huán)；暫態(tài)響應（上升時間/轉換速率）放大器自激振蕩的解決方法電阻（一般小于兆歐）電源濾波運放電源引腳加濾波電容（，非卷繞獨石電容或瓷片電容）電容緊靠電源引腳，接地點接在一起并盡可能靠近本級

12、運放電路的參考接地點特別敏感的電路（如前置放大器），供電電源單獨從電源引出，并單獨RC或LC濾波。布線工藝運放分析基礎理想運算放大器理想參數（Ao、 rid 、 BW- )( Ib 、 rod -0）虛短/虛斷運放等效電路運放的基本連接同相放大器（跟隨器）反向放大器差動放大器等效電路uouidui+u+uoRidAud uidRoi放大電路的基本形式同相放大器：輸入阻抗高、輸出阻抗小可用于阻抗變換、隔離交流放大器電壓跟隨器放大電路的基本形式反相放大器：高頻放大器？低頻放大器？放大電路的基本形式差動放大器：去共模干擾影響共模抑制比主要因素：匹配精度、放大器共模抑制比、開環(huán)增益、輸入阻抗等習題？設

13、 ， ， ，A741為例，V/V， ， ，則同相放大電路理想輸出電壓？實際輸出電壓？輸入阻抗輸出阻抗？運算放大器類型低噪聲運算放大器精密運算放大器高CMRR運算放大器高輸入阻抗運算放大器高速運算放大器寬帶運算放大器低功耗運算放大器大功率運算放大器軌軌運算放大器斬波穩(wěn)零運算放大器儀用放大器可編程放大器隔離放大器單電源和雙電源單運放、雙運放和四運放（一）儀表放大器應用信號源內阻變化輸入信號有強共模成分（工頻干擾等）數據采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶、生物探針及溫度傳感器的放大電路特性高輸入阻抗1010高共模抑制比增益調節(jié)方便精度高、穩(wěn)定性好儀表放大器原理？要求A1=A24個R相等G=1+50Kg/Rg儀表

14、放大器應用注意1輸入偏置（a）高源電阻（石英話筒、水下超聲探測器等）（b）低源電阻（熱電偶等）（c）對稱結構儀表放大器應用注意2有源信號屏蔽（輸入信號保護）(雙線，交流傳輸)高輸入阻抗，分布電容提高共模抑制比AD620，IN128，IN114儀表放大器應用注意3輸出偏置內部電路 引腳可編程儀表放大器INA102（二）隔離放大器輸入輸出隔離高共模電壓疊加微弱傳感器信號接地不良耦合（大分布電容、浮地、對地高阻抗，）長導線耦合工頻地線（參考點）存在電位差，地線環(huán)流！隔離放大器輸入差分源對地阻抗高傳輸線長或與工頻電源線近距離平行為了安全，兩設備必須分別接地傳感器與強帶電體直接接觸或絕緣強度不高被測對象

15、很弱（病人、活細胞等）隔離放大器隔離放大器抵御高共模電壓原理隔離放大器2隔離放大器抑制地線環(huán)流原理隔離放大器3磁耦合隔離（最“古老”，帶寬窄，耐壓一般）調制與解調技術將直流或交流信號通過變壓器耦合到輸出級輸入級內置一個獨立的運放作為信號預處理，可進行緩沖、濾波等功能輸出級是對信號進行解調，濾波與放大 AD204內置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側的運放、調制器或其他電路。光電耦合隔離（應用廣泛）光信號傳送耦合，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯系，具有很強的隔離作用 FCD820 ISO100（模擬量線性和精度差）線性光耦隔離放大器件(開關量可靠傳遞)數字隔離（1）PWM的調制及解調方式（2

16、）V/F方式電容耦合隔離（頻率調制，先進） ISO175輸入電壓數字編碼和差動電容勢壘耦合，準確地隔離和傳輸模擬信號采用了數字化調制手段，隔離柵的性能不會影響到模擬信號的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。 隔離放大器4性能綜合對比： 耦合方式傳送精度噪聲濾波結構復雜度傳送距離變壓器耦合中需要高短電容耦合較好需要高短線性光電耦合較好不需要中短AD210-多通道數據采集前端模塊？4-20MA-0-10V0-100度-2-12V10mV-10V電橋轉換.（三）可變增益放大器同相可變增益原理/電路反相可變增益原理/電路 程控可變增益模擬開關（如4051）（精度不高）D/A芯片（如DAC083

17、2)（單路，頻響不高）集成電路（如AD624，PGA103,單路) （如PGA100,多路）DAC控制程控增益放大器（四）低漂移放大器在微弱信號的測量中，常常需要放大微伏級的電信號；普通的運算放大器的輸入失調電壓一般在數百微伏以上，而失調電壓的溫度系數在零點幾微伏以上；輸入失調電壓可以被調零，漂移難以消除；失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到最小。舉例（一）電壓信號放大（霍爾器件）例：同相放大，Rs=1M，Rp開路，放大器K=50，Ri= 1M，放大器偏置電流1nA，求傳感器輸出電壓1mV時，放大器輸出電壓？解：1）放大器偏置電流經傳感器內阻產生1nA

18、* 1M= 1mV的電壓，加在放大器的輸入端，經放大，輸出50mV（零輸入時輸出電壓）。 2）傳感器的輸出電壓經傳感器輸出電阻和放大器輸入電阻分壓，加在放大器的輸入端，經放大，輸出25mV。 3）結論：小于零點電壓！所以當傳感器輸出阻抗高時，一定選用輸入阻抗高，偏置電流小的放大器?。ㄋ模┑推品糯笃鞯褪д{/偏置電流結構特點芯片參數具有超高電流放大系數晶體管LM308IB 1nA輸入偏置電流相消OP07IB 1nA Ios0.4nAJFET輸入級LF356IB= 30pA Ios=3pA特殊JFET技術+隔離技術AD549，OPA129IB100fA MOSFET輸入級TLC279IB=0.7pAIos=0.1pA（四）低漂移放大器調制解調型斬波穩(wěn)零放大器動態(tài)較零（自穩(wěn)零）型斬波穩(wěn)零放大器閉環(huán)開環(huán)集成低漂移放大器(AD8551,ICL7650)溫漂小于10uv/ ，甚至1uv/ 調制解調型斬波穩(wěn)零放大器交流放大，Uos1隔離Uos2縮小K1倍典型應用兩個記憶電容CXA和CXB必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等容量可以從至1F中選擇。高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工