測(cè)控電路 第二章 信號(hào)放大電路

知識(shí)回顧：

測(cè)控電路的一般結(jié)構(gòu)被測(cè)量傳感器放大濾波ADC微處理器或微控制器DAC顯示電源與參考信號(hào)信號(hào)存儲(chǔ)與記錄鍵盤或其它人機(jī)對(duì)話輸入信號(hào)傳輸模擬指示輸出控制傳感器接口電路第二章信號(hào)放大電路學(xué)習(xí)要點(diǎn)1、復(fù)習(xí)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)及其含義。2、由運(yùn)算放大器組成的基本放大器形式及其特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合。3、典型放大電路（高共模抑制比放大電路、增益可調(diào)、隔離放大電路、自動(dòng)調(diào)零放大電路、高輸入阻抗放大電路等）的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合及設(shè)計(jì)應(yīng)用。（★）本章內(nèi)容§2.1集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

§2.1.1概述§2.1.2集成運(yùn)放的主要直流參數(shù)§2.1.3集成運(yùn)放的主要交流參數(shù)§2.2

運(yùn)算放大電路的三種基本形式§2.2.1同相放大器§2.2.2反相放大器§2.2.3基本差分放大器§2.3

測(cè)量放大電路§2.1.1概述1、放大器是任何一臺(tái)現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器不可缺少的基本電路。2、根據(jù)實(shí)際儀器的功能和要求的不同，對(duì)放大器也有這樣或那樣的性能要求3、放大器的種類舉不勝舉4、通用運(yùn)算放大器在某個(gè)或某些參數(shù)上具有突出的持性，比較適合于某些應(yīng)用場(chǎng)合。5、專用運(yùn)算放大器是采用某些有特色的運(yùn)算放大器或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的放大器芯片。6、要選用合適的放大器，應(yīng)對(duì)放大器的主要參數(shù)有所了解?！?.1.2集成運(yùn)放的主要直流參數(shù)1、輸入失調(diào)電壓VIO2、輸入偏置電流IIB3、輸入失調(diào)電流IIO4、差模開環(huán)直流電壓增益AVD5、共模抑制比KCMR輸入失調(diào)電壓VIO理論上，設(shè)V1＝V2＝0，則Vout＝0。實(shí)際上，由于微小的制造偏差，使得當(dāng)V1＝V2＝0時(shí)，則Vout≠0。緩慢地改變V1，使Vout＝0，則V1－V2＝VIO。由于構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)的差動(dòng)放大器的兩個(gè)三極管的特性不一致等原因造成的。輸入失調(diào)電壓VIO概念集成運(yùn)算放大器輸出直流電壓為零時(shí)，所加的補(bǔ)償電壓，mV級(jí)參數(shù)（雙極型：1－10mv；場(chǎng)效應(yīng)管型：大一些）多在前置放大器中產(chǎn)生誤差，可消除。設(shè)計(jì)時(shí)注意選用低VIO的運(yùn)放和設(shè)計(jì)相應(yīng)調(diào)零電路。利用運(yùn)放本身的調(diào)零端；與傳感器的調(diào)零一并考慮。集成運(yùn)算放大器uA741的調(diào)零電路如下：輸入偏置電流IIB概念運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，其兩輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值。IIB＝(IIB1＋I(xiàn)IB2)/2不可消除輸入端必須有提供輸入偏置電流IIB的直流通路。在設(shè)計(jì)高精度直流放大器或選用具有較大的IIB的運(yùn)放時(shí)必須使運(yùn)放兩輸入端的直流通道電阻相等。輸入失調(diào)電流IIO概念當(dāng)運(yùn)算放大器輸出直流電壓為零時(shí)，兩輸入端偏置電流的差值，即IIO＝IIB1－IIB2可以通過調(diào)零電路消除。一般說來，運(yùn)算放大器的偏置電流越大，其輸入失調(diào)電流也越大。差模開環(huán)直流電壓增益AVD概念當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)域時(shí)，在差模電壓輸入后，其輸出電壓變化與差模輸入電壓變化的比值，即AVD=△vo/△vi，以分貝為單位，即AVD=20lg（△vo/△vi）注意考慮有限值帶來的影響，并進(jìn)行調(diào)整；高精度放大電路要選擇高AVD共模抑制比KCMR理想運(yùn)算放大器只能放大同相端和反相端之間的電壓差，即差模電壓，而對(duì)共模電壓沒有反應(yīng)。即V1＝9V，V2＝9.001V和V1＝0V，V2＝1mV的放大效果是一樣的。但是由于生產(chǎn)中的偏差，使得放大器在一定程度上對(duì)9V的共模電壓有所反應(yīng)。共模增益將同相端和反相端短接，并加入輸入電壓如圖所示。則共模增益為AVC＝△Vout/△Vin共模抑制比KCMR概念運(yùn)放工作于線性區(qū)域時(shí)，其差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比，即KCMR＝AVD/AVC以分貝表示為KCMR＝20lg（AVD/AVC）理想運(yùn)放KCMR無窮大，實(shí)際KCMR為有限值設(shè)計(jì)高精度放大器時(shí)應(yīng)選用高KCMR的運(yùn)放§2.1.3集成運(yùn)放的主要交流參數(shù)差模輸入阻抗ZID輸出阻抗Zo差模輸入阻抗ZID運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端的差模電壓變化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量之比。對(duì)于單個(gè)運(yùn)放，輸入電阻越高，精度越高。電路設(shè)計(jì)時(shí)，注意區(qū)別差模輸入阻抗ZID與輸入偏置電流IIB這兩個(gè)參數(shù)。IIB＝1μA；ZID＝1MΩ；AVD＝104；Rs＝100MΩ；ri＋＝1010；輸出阻抗Zo運(yùn)放工作于非線性區(qū)域時(shí)，其輸入端加信號(hào)電壓后，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。普通運(yùn)放（輸出電流小于10mA）工作于線性區(qū)時(shí)輸出阻抗極低，可忽略對(duì)負(fù)載的影響。理想運(yùn)算放大器的條件開環(huán)電壓放大倍數(shù)AVD→∞（虛短）差模輸入電阻RID→∞（虛斷）開環(huán)輸出電阻RO→0共模抑制比KCMRR→∞+-2.2.1同相放大器a.基本設(shè)計(jì)公式式中，ri為運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗，A為運(yùn)放的開環(huán)增益，F(xiàn)為電路的反饋系數(shù)，即A>104;雙極型:ri>104Ω;場(chǎng)效應(yīng):ri>108Ω;2.2.1同相放大器b.特點(diǎn)1）輸入阻抗高，易受干擾2）共模誤差大輸入阻抗高帶來的好處是用在前置放大器中。2.2.1同相放大器c.同相放大器的變形形式提供輸入偏置電流通道平衡輸入偏置電流R1＝R2R2>>R3、R4（1）低頻交流放大器低頻LF30-300KHZ

中頻MF300-3MHZ

高頻HF3-30MHZ

2.2.1同相放大器c.同相放大器的變形形式平衡輸入偏置電流（2）同相放大器的極端形式——射極跟隨器d.同相放大器的設(shè)計(jì)1)選擇一種同相放大器的結(jié)構(gòu)；2)為同相放大器選擇元器件; 集成運(yùn)算放大器電阻、電容例：請(qǐng)選擇合適的運(yùn)放、電源并設(shè)計(jì)一個(gè)同相放大器，要求其增益為100倍，信號(hào)源內(nèi)阻為100MΩ和信號(hào)幅值為10mV。根據(jù)已知條件增益為100，及同相放大器的相關(guān)知識(shí)，可以有下式成立：選擇OP07即可滿足要求。根據(jù)教材P15同相放大器設(shè)計(jì)事項(xiàng)，可以確定應(yīng)該選用雙極式三極管作為輸入級(jí)，而且具有低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓：<0.06mv；輸入電阻：>3.1*10(7次方)ohmR1取1K，則Rf為99K2.2.2反相放大器a.基本設(shè)計(jì)公式2.2.2反相放大器b.特點(diǎn)（1）低輸入阻抗，穩(wěn)定性好（2）無共模信號(hào)，共模誤差小

R3：平衡電阻，R3＝R1//R2R1、R2的選擇

多用作中間或后置級(jí)放大。2.2.2反相放大器c.反相放大器的變形形式保證一定增益的條件下提高輸入阻抗（1）反相放大器的變形形式根據(jù)“虛短”和“虛斷”R3＝R1//R2取R2=R1>>R4、R52.2.2反相放大器c.反相放大器的變形形式抑制高頻噪聲（2）反相放大器的實(shí)用形式——交流反相放大器平衡輸入偏置電流R3=R2(隔直電容C1的存在)歸納如下：增益RiRo作用、用途缺點(diǎn)近似計(jì)算公式同相放大器Ad=1+R2/R1開環(huán)增益均大于104倍以上ri+=ri(1+AF)場(chǎng)效應(yīng)晶體管：108以上r’o=ro/(1+AF)電路都采用電壓負(fù)反饋的形式，電路的輸出阻抗（閉環(huán)輸出阻抗）的值都接近0。1、可作前置放大器，阻抗變換或隔離級(jí)；2、可避免放大器的輸入阻抗對(duì)高通濾波器的截止頻率的影響易受干擾和精度低為了消除輸入偏置電流的影響，反饋網(wǎng)絡(luò)采用“Y”型網(wǎng)絡(luò)：A=1+R3/R4反相放大器A=-R2/R1滿足大多數(shù)場(chǎng)合要求不超過10M性能穩(wěn)定輸入阻抗小，增益受到限制當(dāng)R2>>R4、R5時(shí)A=-R2/R1（1+R4/R5）2.2.3基本差分放大器概念把二個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在輸出端取出二個(gè)信號(hào)的差模成分，而盡量抑制二個(gè)信號(hào)的共模成分的放大器。（1）輸入信號(hào)VI1作用時(shí)電路的輸出VO1（2）輸入信號(hào)VI2作用時(shí)電路的輸出VO2（3）利用電路的線性疊加原理若R1＝R3，R2＝R4，則有為了得到KCMR，作如下變換：KCMR→∞，則可得（常取R1＝R3，R2＝R4）則可得考慮電阻的誤差，取最壞的情況，可得AVC電阻的誤差δ越小，共模抑制比越高特點(diǎn)高共模抑制比輸入阻抗比較低(RI=2R1)應(yīng)用數(shù)據(jù)放大器用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)控制、精密測(cè)量以及生物工程等系統(tǒng)中，對(duì)各種傳感器送來的信號(hào)加以放大，輸出給控制系統(tǒng)?！纠咳\(yùn)放數(shù)據(jù)放大器在圖所示的數(shù)據(jù)放大器中:（1）設(shè)

R1=2kΩ，R2=R3=1kΩ，R4=R5=2kΩ，R6=R7=100kΩ，試求電壓放大倍數(shù)

Au（2）已知集成運(yùn)放

A1

、A2

的開環(huán)放大倍數(shù)

Aod=105

，差模輸入電阻

Rid=2MΩ，求放大電路的輸入電阻。解：（1）在圖中，當(dāng)加上差模輸入信號(hào)Ui時(shí)，由運(yùn)放A1、A2的參數(shù)對(duì)稱，且R2=R3=1kΩ，則R1的中點(diǎn)將成為交流地電位，此時(shí)A1、A2為同相比例運(yùn)算電路。分析A1：同理，對(duì)于A2：A3是一個(gè)差分比例運(yùn)算電路，R4=R5=2kΩ，R6=R7=100kΩ，則（2）數(shù)據(jù)放大器的差模輸入電阻等于兩個(gè)同相比例電路的輸入電阻之和，即反饋系數(shù)：所以，輸入阻抗為：課堂小結(jié)清楚運(yùn)算放大器的主要參數(shù)的含義設(shè)計(jì)放大器時(shí)如何選用運(yùn)算放大器三種基本放大器的形式、特點(diǎn)及使用場(chǎng)合作業(yè)2-3、2-5，預(yù)習(xí)下一節(jié)§2.3測(cè)量放大電路什么是信號(hào)(測(cè)量)放大電路？將微弱的傳感器信號(hào)放大到足以進(jìn)行各種處理，或推動(dòng)指示器、記錄器及各種控制機(jī)構(gòu)的電路。形式取決于傳感器的信號(hào)形式、大小等電橋放大電路光電流檢測(cè)電路分類分立元件組成，已不多采用；集成運(yùn)放組成的通用放大器或?qū)ｉT的集成放大器，廣泛采用。測(cè)量放大電路的頻帶帶寬是由被測(cè)參數(shù)的頻率范圍及其載波信號(hào)頻率決定的。2.3.1基本要求2.3.2穩(wěn)零放大電路2.3.3高輸入阻抗放大電路2.3.4高共模抑制比放大電路2.3.5增益可調(diào)放大電路2.3.6隔離放大電路2.3.1基本要求低噪聲高共模輸入范圍和高共模抑制比低Vio、Iio和低漂移穩(wěn)定的放大倍數(shù)阻抗匹配線性好、精度高足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換頻率（不失真）可調(diào)的閉環(huán)增益成本低2.3.2穩(wěn)零放大電路目的減小零點(diǎn)漂移，防止對(duì)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生干擾。分類自動(dòng)調(diào)零放大電路（★）斬波穩(wěn)零放大電路低漂移集成運(yùn)算放大電路自動(dòng)調(diào)零放大電路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖N1:主放大器N2:誤差保持器N3:時(shí)鐘發(fā)生器N4:反相器由圖a，當(dāng)N3輸出高電平，Sa1、Sa2導(dǎo)通，電路處于失調(diào)調(diào)零狀態(tài)，見圖b?？赏瞥觯篣c1＝－（Uo1＋U0s2）K2Uo1＝（－U0s1＋Uc1）K1

→Uc1≈U0s1電容C1寄存了運(yùn)算放大器N1的失調(diào)電壓U0s1。K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2b)誤差保持∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖UoC1UiR1R2K1-++N1c)調(diào)零放大輸出∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖當(dāng)N3輸出低電平，Sb1、Sb2導(dǎo)通，電路進(jìn)入信號(hào)放大狀態(tài)，見圖c。可推出：Uo≈－(R2/R1)Ui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。電路特點(diǎn)：輸出電壓較穩(wěn)定,波動(dòng)??；電路成本低（用一塊四運(yùn)放LF347和一塊4位模擬開關(guān)CD4066即可組成）；適用于毫伏級(jí)的低電平放大?！?++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖2.3.3高輸入阻抗放大電路1、高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器2、自舉高輸入阻抗放大電路a)同相交流放大電路b)交流電壓跟隨電路c)自舉組合電路2.3.3高輸入阻抗放大電路自舉高輸入阻抗放大電路a)同相交流放大電路uoR1R2C2C1R3∞-++uiuoR1R2C1R3∞-++ui高輸入阻抗放大電路自舉高輸入阻抗放大電路b)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3∞-++自舉高輸入阻抗放大電路c)自舉組合電路uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)當(dāng)R2＝R1時(shí)，Ri→∞uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)■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?！鍪遣皇撬星闆r下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？

高輸入阻抗會(huì)帶來大噪聲，因此該電路常應(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。2.3.4高共模抑制比放大電路什么是高共模抑制比放大電路？用來抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的放大電路。一般有兩種形式：1.并聯(lián)差分輸入儀用放大器——三運(yùn)放2.串連差分輸入儀用放大器——雙運(yùn)放前級(jí)放大器的增益為：并聯(lián)差分輸入儀用放大器——三運(yùn)放電路另外，改變RW不影響共模增益，但可以改變其差模增益?？梢姡撾娐肪哂懈吖材Ｒ种票?。多取R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6特點(diǎn)高共模抑制比，高輸入阻抗、可調(diào)增益應(yīng)用場(chǎng)合

當(dāng)傳感器工作環(huán)境惡劣時(shí)，傳感器的輸出存在著各種噪聲，且共模干擾信號(hào)很大，而傳感器輸出的有用信號(hào)又比較小，輸出阻抗又很大，此時(shí)，要求共模抑制比一般大于100dB。一般運(yùn)算放大器已不能勝任，這時(shí)可考慮采用儀用放大器。如人體心電測(cè)量。串聯(lián)差分輸入儀用放大器——雙運(yùn)放電路特點(diǎn)高共模抑制比，高輸入阻抗2.4可變?cè)鲆娣糯笃魈攸c(diǎn)電路增益可調(diào)連續(xù)改變2.4可變?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)用形式2.4可變?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)用形式2.4可變?cè)鲆娣糯笃鰿BAChannel000Y0001Y1010Y2011Y3100Y4101Y5110Y6111Y72.4可變?cè)鲆娣糯笃鲾?shù)字電位器組成的可變?cè)鲆娣糯笃鱎P由微處理器控制2.5隔離放大器應(yīng)用場(chǎng)合便攜式測(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)。概念前級(jí)放大器與后級(jí)放大器之間沒有電的聯(lián)系，即信號(hào)在傳輸過程中沒有公共的接地端和電源端，而是利用光或磁來耦合信號(hào)。多用光電耦合信號(hào)。分類電磁耦合線性好、KCMR高、技術(shù)成熟、但帶寬較窄、體積大、成本高光電耦合線性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬較寬、體積小、成本低，多用缺點(diǎn)：傳輸?shù)姆蔷€性T三極管補(bǔ)償光電耦合器的非線性。光電耦合器中的發(fā)光二極管的工作電流極限值為30mA，超過發(fā)光二極管的電流極限值將導(dǎo)致光電耦合器的損壞。所以光電隔離放大器的設(shè)計(jì)主要是設(shè)置光電耦合器的工作電流。優(yōu)點(diǎn)：通過兩個(gè)光電耦合器消除非線性。光電耦合應(yīng)用實(shí)例課堂小結(jié)①各種測(cè)