z信號(hào)放大電路

1、第2章 信號(hào)放大電路 2.1 運(yùn)算放大器的誤差及其補(bǔ)償 2.2 噪聲的基礎(chǔ)知識(shí) 2.3 典型測(cè)量放大電路 2.4 隔離放大電路 作用：在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來(lái)放大傳感器 輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的放大電路稱為測(cè)量放大電路。2發(fā)展趨勢(shì) 由分立元件組成的放大電路發(fā)展到由集成運(yùn)算放大器組成的放大電路。 3應(yīng)用舉例 腦電圖腦電圖機(jī)（electroencephalograph）是用來(lái)測(cè)量腦電信號(hào)的生物電放大器。腦電信號(hào)的幅值范圍為10100V。由于信號(hào)太弱，同樣大小的共模電壓對(duì)腦電檢測(cè)將會(huì)造成更為嚴(yán)重的影響，因此它要求的放大增益很高（約100dB左右）。因此要求放大器有更高的共模抑制比。42.1 運(yùn)

2、算放大器的誤差及其補(bǔ)償2.1.1 實(shí)際運(yùn)算放大器及其特性序號(hào)參數(shù)名稱理想實(shí)際1差模增益90100dB以上2共模增益00dB以上3輸入阻抗100k數(shù)兆歐4輸出阻抗010數(shù)百歐5帶寬0010Hz（或010kHz ）5著名廠家AD 德州儀器(TI) 意法半導(dǎo)體（ST）CYPRESSMAXIM 美信國(guó)家半導(dǎo)體 2.1 運(yùn)算放大器的誤差及其補(bǔ)償2.1.1 實(shí)際運(yùn)算放大器及其特性(表2-1)2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償 輸入失調(diào)電壓對(duì)于理想運(yùn)放，輸入電壓為0，輸出電壓也應(yīng)為0，但實(shí)際運(yùn)放中，前置級(jí)差動(dòng)放大器并不一定完全對(duì)稱，必須在輸入端加上一定直流電壓后才能使輸出為0，這一直流電壓即是輸入失調(diào)電壓uos. 2

3、.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償 輸入失調(diào)電壓： ：輸入電壓為零時(shí)的輸出，由于前置放大級(jí)不對(duì)稱造成。零點(diǎn)漂移： 隨時(shí)間或溫度的變化而引起。當(dāng)輸入為0，輸出不為0時(shí)，輸出端的電壓為輸出失調(diào)電壓u0 引起的輸出失調(diào)電壓為： 2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償 輸入失調(diào)電流：運(yùn)放內(nèi)部輸入端子都為晶體管基極，輸入端有偏置電流Ib1、Ib2,為使u02盡量小，所以R2不可取太大,10100K。它們?cè)赗2、R3兩端產(chǎn)生電壓降u1、u2, u1直接引起輸出電壓變化，u2相當(dāng)于作用在同相端的輸入電壓，若 輸出端產(chǎn)生的失調(diào)電壓為： 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的測(cè)量 1. 閉合時(shí)，輸出電壓為 選取R1R3,認(rèn)為U1是由輸入失調(diào)電壓產(chǎn)

4、生的 2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的測(cè)量2. 打開時(shí)，輸出電壓為 ，放大器的輸出端受到uos影響，以及輸入失調(diào)電流在R3上電壓降的影響。 2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償兩只R3電阻值應(yīng)一致，必須采取高精度電阻嚴(yán)格挑選。 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的調(diào)整 2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償調(diào)零的方法為：將運(yùn)放的兩個(gè)輸入端對(duì)地短接， 輸出端接直流電壓表，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。（注意：當(dāng)Rp的位置一旦確定，就不能改變。）1. 外部調(diào)整方法 輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的調(diào)整1外部調(diào)整法（1）把調(diào)整電壓 (mV)加 在運(yùn)放的反相輸入端 2.1.2 失調(diào)及其補(bǔ)償 調(diào) 零點(diǎn)調(diào)整。 2.1.

5、2 失調(diào)及其補(bǔ)償（2）把調(diào)整電壓 (mV)加在運(yùn)放的同相輸入端為使R5端電壓不影響其他回路，R5的值盡量小調(diào) 零點(diǎn)調(diào)整。 2內(nèi)部調(diào)整法 通過(guò)運(yùn)放的調(diào)整端子，調(diào) 零點(diǎn)調(diào)整(圖2-4)。 14輸入失調(diào)電壓的幾點(diǎn)說(shuō)明輸入失調(diào)電壓一般是毫伏級(jí)手冊(cè)給出的是最大值調(diào)零電路可利用運(yùn)放本身的調(diào)零端來(lái)實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)高精度前置放大器時(shí)，應(yīng)選擇低輸入 失調(diào)電壓值的運(yùn)放，并設(shè)置相應(yīng)調(diào)零電路 2.1.3 轉(zhuǎn)換速率和最大不失真頻率1轉(zhuǎn)換速率： (Slew Rate)（表示輸出電壓跟隨輸入電壓的能力） 運(yùn)算放大器的輸入為正弦波，而輸出為三角波時(shí)，三角波的斜率。2最大不失真頻率：若 ，則最大速率為：162.1.4 運(yùn)算放大器的振

6、蕩與相位補(bǔ)償閉環(huán)放大倍數(shù) 2.1.4 運(yùn)算放大器的振蕩與相位補(bǔ)償在負(fù)反饋放大器中，若輸出與輸入相位移相 ，則負(fù)反饋正反饋，從而產(chǎn)生自激振蕩，故外加RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。1加相位滯后RC網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)折頻率18電路中經(jīng)常存在的RC網(wǎng)絡(luò)，與運(yùn)算放大器結(jié)合使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩。192加相位超前RC網(wǎng)絡(luò) 2.1.4 運(yùn)算放大器的振蕩與相位補(bǔ)償3常用的相位補(bǔ)償電路寄生電容Cs=輸入電容+布線分布電容;當(dāng)輸入信號(hào)的頻率很高時(shí)，Cs的旁路作用使放大器的高頻響應(yīng)變差。解決辦法：在Rf上并接一個(gè)補(bǔ)償電容Cf，構(gòu)成相位補(bǔ)償。一般線性工作的放大器(即引入負(fù)反饋的放大電路)的輸入寄生電容Cs會(huì)影響電路的穩(wěn)定性，其補(bǔ)償措施見(jiàn)圖。放大器的輸

7、入端一般存在約幾皮法的寄生電容Cs，這個(gè)電容包括運(yùn)放的輸入電容和布線分布電容，它與反饋電阻Rf組成一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)，引起輸出電壓相位滯后，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率很高時(shí)，Cs的旁路作用使放大器的高頻響應(yīng)變差，其頻帶的上限頻率約為：h=1(2RfCs) Rf的阻值較大，放大器的上限頻率就將嚴(yán)重下降，同時(shí)Cs、Rf引入的附加滯后相位可能引起寄生振蕩，因而會(huì)引起嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)此，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是減小Rf的阻值，使h高出實(shí)際應(yīng)用的頻率范圍，但這種方法將使運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)下降(因Av=-Rf/Rin)。為了保持放大電路的電壓放大倍數(shù)較高，更通用的方法是在Rf上并接一個(gè)補(bǔ)償電容Cf，使RinCf網(wǎng)絡(luò)

8、與RfCs網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成相位補(bǔ)償。RinCf將引起輸出電壓相位超前，由于不能準(zhǔn)確知道Cs的值，所以相位超前量與滯后量不可能得到完全補(bǔ)償，一般是采用可變電容Cf，用實(shí)驗(yàn)和調(diào)整Cf的方法使附加相移最小。若Rf=10k,Cf的典型值絲邊310pF。對(duì)于電壓跟隨器而言，其Cf值可以稍大一些。 2022/9/182.2 噪聲的基礎(chǔ)知識(shí)式中 k 玻耳茲曼常數(shù)，k =1.3810-23J/K； T 導(dǎo)體的絕對(duì)溫度（K）； B 測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)； R 導(dǎo)體阻抗的實(shí)部()。 噪聲就是干擾有用信號(hào)的某種不希望的擾動(dòng)。通常，把外部來(lái)的稱為干擾，把內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。熱噪聲由導(dǎo)體中的電荷載流子的熱激振動(dòng)引起的噪聲

9、 2. 信號(hào)放大電路 2.2 測(cè)量放大電路的主要誤差源低頻噪聲與晶體管表面的狀態(tài)以及PN結(jié)的漏電流有關(guān)的噪聲式中 k1 與材料有關(guān)的常量，其量綱與a、b有關(guān)； I 工作電流(A)； a、b 由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，對(duì)各種半導(dǎo)體，b=0.81.5，a通常為1； f 工作頻率(Hz)。 散彈噪聲 流過(guò)二極管、三極管位壘層的載流子不是連續(xù)的，而是脈沖性質(zhì)的，電流的方均值或方均根值不為零 式中 q 電子電荷，為1.5910-19C； IDC 直流電流(A)； B 測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬 (Hz)。 2. 信號(hào)放大電路 2.2 測(cè)量放大電路的主要誤差源減小噪聲影響的主要措施（1）采用噪聲小的器件；（2）采用信號(hào)調(diào)

10、制解調(diào)與濾波，限制通頻帶；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比電路。 2. 信號(hào)放大電路 2.2 測(cè)量放大電路的主要誤差源 作用：放大傳感器輸出的電壓、電流或電荷信號(hào)。 類型：由傳感器決定。如：應(yīng)變式傳感器采用電橋放大 電路，壓電式傳感器采用電荷放大電路。 2.3 典型測(cè)量放大電路 幾個(gè)重要術(shù)語(yǔ)：開環(huán)增益K：集成運(yùn)放在開路狀態(tài)下的差模增益；閉環(huán)增益Kf：集成運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下的差模增益；差模信號(hào)：集成運(yùn)放兩輸入端同時(shí)輸入極性相反的信號(hào)；共模信號(hào)：集成運(yùn)放兩輸入端同時(shí)輸入極性相同的信號(hào)；差模增益Kd：差模信號(hào)輸入時(shí)的增益；共模增益Kc：共模信號(hào)輸入時(shí)的增益；共模抑制比：CMRR=差模增益Kd

11、/共模增益Kc。 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.1 測(cè)量放大電路的基本要求 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配； 穩(wěn)定的放大倍數(shù)； 低噪聲； 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率； 高共模輸入范圍和高共模抑制比； 可調(diào)的閉環(huán)增益； 線性好、精度高； 成本低。 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.2 反相放大電路特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，輸入阻抗低。而且提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾。1基本形式uoR3uiR1R2N-+ 2.3.2 反相放大電路2變形的反相放大電路：提高輸入阻抗和增益要求：uoR3uiR1R2R5R4N-+增益提高了 2.3.2 反相放大電路3交流反相放大電

12、路C2相位補(bǔ)償，防止振蕩。uoR3uiR1R2C1C2N-+C1R1高通濾波器。（小）（大）特點(diǎn)：輸入阻抗高，精度低，易受干擾。1基本形式 2.3.3 同相放大電路 2.3 典型測(cè)量放大電路R2uoR3uiR1N-+ 2.3.3 同相放大電路2交流同相放大電路要求：C1R1高通濾波器。3跟隨放大電路特點(diǎn)：輸入阻抗很高。uoR2R3uiR1R4C1N-+R2uouiR1N-+2.3.4 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路：把二個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在輸出端取出二個(gè)信號(hào)的差模成分，抑制二個(gè)信號(hào)的共模成分。 2.3 典型測(cè)量放大電路uid= ui2ui1 , uic=(ui1

13、+ ui2)/2取 R1=R3，R2=R4，則特點(diǎn)：只有差模信號(hào)，CMRR高，但Zi較低，增益調(diào)節(jié)困難。R3uoR4ui2R1R2ui1+-+N 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.5 高共模抑制比放大電路 作用：用來(lái)抑制傳感器輸出的共模電壓 (包括干擾電壓) ， 提高共模抑制比 。 應(yīng)用場(chǎng)合：要求共模抑制比大于100dB的場(chǎng)合，例如人體 心電測(cè)量，信號(hào)很微弱，而干擾很大。 方法：（1）采用多個(gè)集成運(yùn)放串聯(lián)組成的測(cè)量放大電路； （2）采用差動(dòng)放大電路，使ui1和ui2的共模電壓抵 消，但要求外接電阻完全平衡對(duì)稱。 雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路1反相串聯(lián)型 2.3.5 高共模抑制比放大電路取 R1=R

14、5，R2=R4只有差模信號(hào)，但輸入阻抗低。ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo+-+N2+-+N1uo1 雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路2同相串聯(lián)型取 R1=R4，R2=R3只有差模信號(hào)，輸入阻抗很高。uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N1+-+N2內(nèi)容回顧什么叫輸入失調(diào)電壓？怎樣測(cè)量輸入失調(diào)電壓？通過(guò)右圖，講述如何運(yùn)用外部調(diào)整法調(diào)整輸入失調(diào)電壓？運(yùn)放在什么情況下會(huì)發(fā)生自激振蕩？如何避免自激振蕩？ 解釋專業(yè)名詞：開環(huán)增益、共模信號(hào)、CMRR. 高共模抑制比放大電路的主要作用是什么？適用于哪些場(chǎng) 合？典型的兩運(yùn)放高共模抑制比放大電路有哪些結(jié)構(gòu)？ 2.3.5

15、 高共模抑制比放大電路* 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路N1N2：性能一致，平衡對(duì)稱，構(gòu)成差動(dòng)放大輸入級(jí)。N3：雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，進(jìn)一步抑制N1N2 共模信號(hào)。R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3ui1ui2uo2 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路可見(jiàn)：輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及差模增益只與差模輸出電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R0兩端相互抵消，電路具有良好的共模抑制能力，且不要求外部電阻匹配，但為了消除N1、N2輸入失調(diào)電流，取R1=R2，調(diào)節(jié)電位器Ro，可改變差模增益，即大范圍增益調(diào)整電路.ui1ui2uo1uo2R1RoR2R7

16、RPR8R3R4R6R5+-+N1IR-+N2-+N3大范圍增益調(diào)整電路差分放大取 R3=R4，R5=R6，差模增益：通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6 外接電阻平衡對(duì)稱。 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路N3兩端的R7、R8和RP作為共模補(bǔ)償電路，調(diào)節(jié)RP，可補(bǔ)償電阻的不對(duì)稱。INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu) 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路INA114集成運(yùn)放與測(cè)量電橋的連接： 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路R0uoINA11418327654+5V-5V什么是有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路？ 將差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)輸出經(jīng)兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例差動(dòng)放大后，使其輸入端的共模電壓11地輸出，并通過(guò)輸出端各自電阻（阻值相等）

17、加到傳感器的兩個(gè)電纜屏蔽層上，即兩個(gè)輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動(dòng)，而不是接地，電纜輸入芯線和屏蔽層之間的共模電壓為零，這種電路就是有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路。應(yīng)用于何種場(chǎng)合? 經(jīng)常使用于差動(dòng)式傳感器，如電容傳感器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測(cè)控系統(tǒng)中。 有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路1屏蔽電纜等效電路 有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路Rs1Rs2 傳感器內(nèi)阻；C1 C2 電纜輸入芯線與屏蔽層之間的電容。傳感器共模輸入信號(hào)uic在Rs1和Rs2上產(chǎn)生的壓降分別為：uicuicRS1C1uR1aRS2差 動(dòng)放大器uoabui1ui2RS1C1C2電纜屏蔽層接地a和b兩端的共模信號(hào)分別為： uic對(duì)差動(dòng)運(yùn)放產(chǎn)生的差模輸入信

18、號(hào)。 由于Rs1C1 Rs2C2，共模抑制比下降。 有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路uicRS1C1uR1a2屏蔽電纜驅(qū)動(dòng)電路N1N2構(gòu)成同相比例差動(dòng)放大器，輸入端的共模電壓1:1輸出。由于電路對(duì)稱uc=uic，即兩輸入電纜的屏蔽層由uic驅(qū)動(dòng)，而不是接地，相當(dāng)于屏蔽電纜等效電路中C1C2公共端接uic。 有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N3電纜屏蔽層不接地，由共模電壓驅(qū)動(dòng)AD612典型的三運(yùn)放結(jié)構(gòu) 方法：（1）自動(dòng)調(diào)零放大電路； （2）低漂移單片集成運(yùn)算放大器； （3）由通用集成運(yùn)算放大器組成的斬波穩(wěn)零放大 電路。 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3

19、.6 低漂移放大電路 作用：減小輸入失調(diào)電壓U0s和低頻干擾引起的零點(diǎn)漂移Uc 2.3.6 低漂移放大電路* 自動(dòng)調(diào)零放大電路由一塊四運(yùn)放和一塊四位模擬開關(guān)組成。-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4N1主放N2誤差保持N3時(shí)鐘發(fā)生器（方波發(fā)生器）N4N3的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模擬開關(guān)N3驅(qū)動(dòng)Sa1、Sa2，高電平導(dǎo)通 2.3.6 低漂移放大電路 自動(dòng)調(diào)零放大電路-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4高低1誤差保持當(dāng)N3輸出高電平，N4輸出低電平時(shí)，Sa1Sa2閉合， Sb1Sb2斷開，

20、電路處于自動(dòng)調(diào)零狀態(tài)。 U0s1寄存在C1上，誤差保持。 自動(dòng)調(diào)零放大電路K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2U0s1U0s2誤差保持等效電路如下圖：Uo-+N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4時(shí)鐘高低2.3.6 低漂移放大電路 自動(dòng)調(diào)零放大電路2調(diào)零放大當(dāng)N3輸出低電平，N4輸出高電平時(shí)，Sa1Sa2斷開， Sb1Sb2閉合，電路進(jìn)入放大狀態(tài)。其調(diào)零放大電路如下：實(shí)現(xiàn)了對(duì)失調(diào)電壓的校正，達(dá)到了自動(dòng)調(diào)零的目的，也起到了放大作用；輸出穩(wěn)定；電路成本低（用一塊四運(yùn)放LF347和CD4066即可組成）；適合毫伏級(jí)低電平放大。性能優(yōu)于通用集成運(yùn)放組成

21、的斬波穩(wěn)零放大電路。作業(yè)：2-6 自動(dòng)調(diào)零放大電路UoC1UiR1R2K1-+N1U0s1 低漂移集成運(yùn)算放大器 2.3.6 低漂移放大電路1輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器(CAZ運(yùn)算放大器)a) N1調(diào)零放大，N2誤差保持輸出C1GR輸入 -+N1-+N2R+輸入 C2b) N1誤差保持，N2調(diào)零放大C1G輸入 C2+輸入 輸出 R-+N1-+N2R N1N2性能一致，通過(guò)模擬開關(guān)使N1N2交替地工作在調(diào)零放大和誤差保持兩種不同的狀態(tài)。 G為自動(dòng)校零輸入端，必須接到系統(tǒng)的零線，使放大器在自動(dòng)校零時(shí)無(wú)信號(hào)輸入。 C1C2為外接電容，在校零狀態(tài)時(shí)寄存放大器的U0s和低頻瞬時(shí)干擾電壓Uc。當(dāng)轉(zhuǎn)換成放大

22、狀態(tài)時(shí)，電容上寄存的電壓正好抵消了放大器的U0s和Uc，達(dá)到自動(dòng)校零的目的，且放大了輸入信號(hào)。 特點(diǎn)：輸出穩(wěn)定，性能好，但對(duì)共模電壓無(wú)抑制作用。作業(yè) ：2-7 低漂移集成運(yùn)算放大器2斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器(ICL7650)內(nèi)部調(diào)制補(bǔ)償電路箝位電路外時(shí)鐘輸入GSaSb時(shí)鐘輸出N1：主運(yùn)放N2：調(diào)零放大器A1A2：N1N2側(cè)向輸入端C1C2：外接電容，寄存U0s和Uc 低漂移集成運(yùn)算放大器UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2（1）誤差檢測(cè)和寄存階段 時(shí)鐘為高電平時(shí)，Sa1Sa2閉合， Sb1Sb2斷開，N2兩輸入 端被短接，只有輸入失調(diào)電

23、壓U0s2和共模信號(hào)Uc作用，其輸 出由電容C2寄存，并反饋到 N2的側(cè)向輸入端A2，此時(shí) 誤差項(xiàng)，寄存在C2上。 低漂移集成運(yùn)算放大器UiC1C2A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2 低漂移集成運(yùn)算放大器（2）校零和放大階段 時(shí)鐘為低電平時(shí)， Sa1Sa2斷開， Sb1Sb2閉合，輸入信號(hào) Ui同時(shí)作用到N1、N2的輸入端，此時(shí) C2上寄存的電壓與N2的U0s2、 Uc抵消，達(dá)到穩(wěn)零目的。UiC1C2A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2Uc2 低漂移集成運(yùn)算放大器 ICL7650特點(diǎn)：具有失調(diào)電壓影響小，共模抑制比高，增益高、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，

24、但價(jià)格高。 輸入失調(diào)電壓減小了K2倍。 共模抑制比提高了K2倍。 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.7 高輸入阻抗放大電路 作用： 提高反相(或差動(dòng))運(yùn)算放大器的輸入阻抗，與電 容式、壓電式傳感器的高輸出阻抗（108以上） 相匹配。 方法：（1）在放大電路輸入端加接電壓跟隨器，但會(huì) 引入共模誤差； （2）采用高輸入阻抗的集成運(yùn)算放大器； （3）采用通用集成運(yùn)算放大器組成的自舉電路。 2.3.7 高輸入阻抗放大電路 高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器（1）輸入級(jí)采用N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOS-FET)， 如：CA3140、CA3260等，輸入阻抗高達(dá) ；（2）輸入級(jí)采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)，如：

25、LF356、LF412、 LM310、LF444等，輸入阻抗為 ；（3）輸入級(jí)采用N溝道和P溝道兩管互補(bǔ)型場(chǎng)效應(yīng)管(CMOS- FET)，如：ICL7613、ICL7641B/C，輸入阻抗 。 高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器安裝在印刷電路板上時(shí)，會(huì)有漏電流流入形成干擾。故采用屏蔽方法抗干擾，即在運(yùn)算放大器的高阻抗輸入端周圍用導(dǎo)體圍住，構(gòu)成屏蔽層，并把屏蔽層接到低阻抗處。屏蔽層與高阻抗之間幾乎無(wú)電位差，可防止漏電流的流入。uiuo+-+Na)電壓跟隨器b)同相放大器c)反相放大器+-+NuouiR1R2R3=R1/R2uo+-+NuiR1R2 自舉式高輸入阻抗放大電路 2.3.

26、7 高輸入阻抗放大電路 何謂自舉電路? 自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。 是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？ 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測(cè)量放大電路中。如電容式、壓電式傳感器的測(cè)量放大電路。 自舉式高輸入阻抗放大電路b)交流電壓跟隨電路+-+NuiR1R2C1R3C2uoa)同相交流放大電路uiuo+-+NR1R2R3C1C2 利用C2將運(yùn)放兩輸入端之間的交流電壓作用在R1兩端。理想情況下兩輸入端電位近似相等(虛短)，無(wú)電流流過(guò)R1 ，故對(duì)交流而言 。要求：R3=R1+R2 減小輸入失調(diào)電壓和輸入偏

27、置電流。 自舉式高輸入阻抗放大電路輸入電阻為：當(dāng)R2=R1時(shí)，Ri，i1 = i2 ，即N1的輸入電流全部由N2提供，輸入回路無(wú)電流。uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)自舉組合電路 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.8 電荷放大電路 作用： 電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比，與反饋電容成反比，而與電路其他參數(shù)無(wú)關(guān)。 基本原理1. 理想情況傳感器輸出電荷對(duì)反饋電容充電，即Quo+-+NC壓電式傳感器電容式傳感器將壓力、位移等電荷信號(hào)電荷放大電路2. 實(shí)際等效電路R 電容C的放電回路，減小零漂、穩(wěn)定工作點(diǎn)。 2.3.8 電荷放大電路把R和C等效到N的輸入端： ，

28、uo+-+NCRQCsRsCcCiRiiui 2.3.8 電荷放大電路當(dāng)Ci可忽略，且頻率較高 ，K為有限值時(shí)： 電荷放大電路的特性1. 開環(huán)電壓增益K的影響相對(duì)誤差： 相對(duì)誤差 與開環(huán)電壓增益K成反比。2. 頻率特性 電荷放大電路的特性 當(dāng) 時(shí)， 。因此電荷放大器增益下降3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為： 高頻響應(yīng)很好，低頻響應(yīng)差。且當(dāng)電纜較長(zhǎng)時(shí)，電纜分布電容對(duì)相對(duì)誤差和上限頻率有關(guān)，故選低電容電纜。3. 噪聲與漂移噪聲：增大Cc、減小C時(shí)，輸出電壓噪聲增大。零漂：增大R、減小電纜絕緣電阻Rc和Ri時(shí)，漂移增大。綜合考慮： ， 2.3.8 電荷放大電路 電荷放大電路實(shí)例+-+N2uo+-+N1

29、CRQ+15VR12VD14558VD2-15V3A74161874RPu1R2S2S1aS1b實(shí)例123674 2.3.8 電荷放大電路 電荷放大電路實(shí)例+-+N2uo+-+N12000pFAD544L實(shí)例2QCsCcRCRP1RP2R1PV-9647FA766-E815R1 限流電阻；RP1 調(diào)整增益；RP2 調(diào)節(jié)失調(diào)；N2 電壓放大。N1 電荷/電壓轉(zhuǎn)換；236 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.10 電橋放大電路 作用：將電阻、電容、電感傳感器通過(guò)電橋后輸出的電 壓或電流信號(hào)作進(jìn)一步放大。 組成：由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成，或由傳感器和 運(yùn)算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路。 應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用

30、于電參量式傳感器，如電阻應(yīng)變式、電 容式傳感器、電感式傳感器等。 2.3.10 電橋放大電路 單端輸入電橋放大電路1反相輸入型(虛地)(虛斷)特點(diǎn)：增益與橋臂電阻無(wú)關(guān)，增益穩(wěn)定，單臂電橋非線性。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou+-+-+N如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），為傳感器電阻的相對(duì)變化率2同相輸入型 單端輸入電橋放大電路R+RR2R1uo+-aRRRu+-+N特點(diǎn)：?jiǎn)味溯斎腚姌蚍糯箅娐返脑鲆媾c橋臂電阻無(wú)關(guān)，增益比較穩(wěn)定，但電橋電源一定要浮置。輸出電壓與橋臂電阻的相對(duì)變化率是成非線性關(guān)系，只有當(dāng)1時(shí)，才成近似按線性變化。 差動(dòng)輸入電橋放大電路 2.3.10 電橋放大電路特點(diǎn)：

31、增益與橋臂電阻有關(guān)，增益不穩(wěn)定，且非線性。R2=R1R1uR (1+)uaubRRRuo+-+N(ua=ub)上節(jié)課內(nèi)容回顧R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3ui1ui2uo2說(shuō)出上圖電路名稱及作用？寫出輸入級(jí)的增益表達(dá)式。怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)電路增益的調(diào)節(jié)？上節(jié)課內(nèi)容回顧-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2UiSb1R1-+N4上圖是什么電路？四個(gè)運(yùn)放分別起到什么作用？電路有哪兩個(gè)工作狀態(tài)？它與CAZ電路的區(qū)別是什么？上節(jié)課內(nèi)容回顧uiuo+-+NR1R2R3C1C2+-+NuiR1R2C1R3C2uouo1ui

32、i1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。結(jié)合以上三種電路結(jié)構(gòu)，解釋自舉電路的作用及定義。 2.3.10 電橋放大電路* 線性電橋放大電路特點(diǎn)：傳感器構(gòu)成的可變橋壁接在反饋回路，線性好，量程大，但靈敏度低。uoR3R2 = R(1+)R1uuaR1ub+-+N 2.3 典型測(cè)量放大電路2.3.11 增益調(diào)整放大電路 作用：由輸入信號(hào)的大小，調(diào)整閉環(huán)增益，使輸出信號(hào) 固定在一定范圍,同時(shí)不降低CMRR。 調(diào)整方式：手動(dòng)、自動(dòng)、程控。 手動(dòng)增益調(diào)整放大電路uo+-+NR1u1u2ui1ui2

33、R2R2R2R2R1i1i2i3i4u3u4R 手動(dòng)增益調(diào)整放大電路uo+-+NR1u1u2ui1ui2R2R2R2R2R1i1i2i3i4u3u4R可見(jiàn)，只要改變R可改變放大倍數(shù)，但R與增益之間是非線性的，因此調(diào)整范圍小于10%，所以也叫小范圍增益調(diào)整電路。大范圍增益調(diào)整電路，在三運(yùn)放電路中已經(jīng)介紹過(guò)。對(duì)理想運(yùn)放：2.3.11 增益調(diào)整放大電路 自動(dòng)增益調(diào)整放大電路1. 改變反饋電阻VN溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，高電 平(0)導(dǎo)通，低電平(負(fù))夾斷。uo+-+NR1uiR2R3i1i2i3i4ur控制信號(hào)R4V自動(dòng)增益調(diào)整是根據(jù)輸入信號(hào)的大小，自動(dòng)在最大、最小兩種增益間切換。改變反饋電阻改變輸入回路

34、衰減電阻 當(dāng)ui較小時(shí)，控制信號(hào)為高電平(0)，V導(dǎo)通，r 很小，Kf=max； 當(dāng)ui較大時(shí)(超過(guò)某界限)，控制信號(hào)為低電平(負(fù))， V夾斷，r 很大，Kf=min； 自動(dòng)增益調(diào)整放大電路uo+-+NR1uiR2R3i1i2i3i4ur控制信號(hào)R4V2. 改變輸入電阻 自動(dòng)增益調(diào)整放大電路 當(dāng)ui較小時(shí)，控制信號(hào)為低電平(0)，V1和V2都導(dǎo)通，r 很小，Kf=max； 當(dāng)ui超過(guò)某界限時(shí)，控制信號(hào)為高電平(正)， V1截止，V2夾斷，r 很大，Kf=min；uo+-+N+9V控制信號(hào)uiR2R3V2R1-6VV1r 可編程增益放大電路(Programmable Gain Amplifier

35、)2.3.11 增益調(diào)整放大電路* 1. 通用運(yùn)放可編程增益放大電路多路模擬開關(guān)：采用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)陣列，高 電平(正)夾斷，低電平(0)導(dǎo)通。運(yùn)放： (單運(yùn)放)， LM353(三運(yùn)放) ，LM324(四運(yùn)放)Uo+-+NUiR1R2ABCD（1）單運(yùn)放式 可編程增益放大電路(PGA)開關(guān)的通斷改變了運(yùn)放的并聯(lián)反饋電阻Rx (24種增益)KfABCD-100 -50 -10 -2 -1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 Rx特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入電阻不變；開關(guān)導(dǎo)通電阻影響電路精度；適用于低增益、低精度場(chǎng)合。 可編程增益放大電路(PG

36、A)KfABC0 1 1 1 1 0 1 1 0 （2）多運(yùn)放并聯(lián)式開關(guān)的通斷，取決于從哪個(gè)運(yùn)放取輸出。特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入電阻不變；開關(guān)導(dǎo)通電阻和分布電容對(duì)精度和工作速度無(wú)影響；放大單元多，成本高。Uo+-+N1R2AR1+-+N2R4BR3+-+N3R6CR5Ui 可編程增益放大電路(PGA)（3）多運(yùn)放串聯(lián)式開關(guān)的通斷，取決于放大單元的個(gè)數(shù)(AD521、AD522等)。放大單元多，成本高，但可提高增益。UoUiCBA+-+N2R4R3+-+N1R2R1+-+N3R6R5DKfABCD1 Kf1 Kf1Kf2 Kf1Kf2Kf3 0 1 1 1 1 1 0 11 0 1 11 1 0 1

37、Uo+-+NR1R2ABCD2. 數(shù)字式可編程增益放大電路 可編程增益放大電路(PGA)Kf-15 -14-13 -12 -11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 Ui開關(guān)的通斷改變了運(yùn)放的反相輸入端電阻(24種增益)（1）改變輸入電阻 可編程增益放大電路(PGA)開關(guān)的通斷，同時(shí)改變了輸入電阻和反饋電阻。Kf1 24 8 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 UiUoCBARR+-+ND2R4R（2）改變輸入電阻和反饋電阻 可編程增益放大電路(PGA) 開關(guān)的通斷，同時(shí)改變了輸入電阻和反饋電阻。N個(gè)電阻可得到1N正整數(shù)的

38、N種增益。UoR1+-+NRN-1RNUiR2N 路 模 擬 開 關(guān)NN-1321（3）任意正整數(shù)增益 可編程增益放大電路(PGA)UoR1+-+NRN-1RNUiR2N 路 模 擬 開 關(guān)NN-1321開關(guān)1閉合，Kf=1，Ra=0，Rb=R1+R2+ +RN，跟隨器開關(guān)2閉合，Kf=2，Ra=RN，Rb=R1+R2+ +RN-1，Ra=Rb開關(guān)3閉合，Kf=3，Ra=RN+RN-1，Rb=R1+R2+ +RN-2，Ra=2Rb開關(guān)N閉合，Kf=N，Ra=RN+RN-1+ +R2，Rb=R1，Ra=(N-1)Rb* 3. 集成可編程 增益放大電路 可編程增益放大電路(PGA)UoSa1+-+

39、N3Ui1+-+N1+-+N2譯碼器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路Ui2數(shù)字地151614D1D0Sa2Sa4Sb1Sb2Sb3Sb48761011121393Sa3Sa3Kf11 25 10 0 0 01 0 1 1 1 D1D0閉合開關(guān)Sa1Sb1Sa2Sb2Sb3Sa4Sb4=1，4，10R8 2.4 隔離放大電路 作用：將輸入、輸出和電源電路進(jìn)行隔離，使他們之間 沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有 公共的接地端。 方法：采用電磁耦合(變壓器)和光電耦合。 應(yīng)用場(chǎng)合：主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控系統(tǒng)(如 生物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)程 控制系統(tǒng)等)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共 模抑制能力傳送信號(hào)。 第2章 信號(hào)放大電路注意：這里的輸入與輸出的地是