信號放大電路測試電路

2023/2/32.信號放大電路信號放大電路是為了將微弱的傳感器信號放大到足以進行各種轉(zhuǎn)換處理或驅(qū)動指示器、記錄器以及各種控制機構(gòu)。在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路。要求：阻抗匹配有一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益低噪聲低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流及低溫漂足夠的帶寬和轉(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)增益線性度好，精度高2023/2/32.信號放大電路

測量放大電路的主要誤差源

高共模抑制比放大電路高輸入阻抗放大電路

低漂移放大電路

電橋放大電路2023/2/32.信號放大電路

隔離放大電路

電荷放大電路

增益可控放大電路2023/2/32.信號放大電路2.1運算放大器的誤差及其補償

2.1運算放大器件的主要誤差源（實際特性）序號參數(shù)名稱理想值實際值

1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3輸入阻抗∞100kΩ～數(shù)兆歐4輸出阻抗010Ω～數(shù)百歐5帶寬0～∞0～10Hz（或0～10kHz）6動態(tài)范圍0～供電電壓有限部分7輸入失調(diào)電壓0納伏至毫伏8輸入失調(diào)電流0皮安至微安9噪聲0納伏至微伏+∞-+N2.1

測量放大電路的主要誤差源

2.信號放大電路采用負反饋構(gòu)成閉環(huán)放大器可以擴大帶寬和線性范圍。最主要的誤差因素是噪聲與失調(diào)漂移。固定的失調(diào)可以通過調(diào)整來解決?！?.1.2集成運放的主要直流參數(shù)1、輸入失調(diào)電壓Uos2、輸入失調(diào)電流I0S3、轉(zhuǎn)換速率SR,最大不失真頻率fmax4、閉環(huán)放大倍數(shù)Kf5、共模抑制比KCMR概念集成運算放大器輸出直流電壓為零時，所加的補償電壓，mV級參數(shù)（雙極型：1－10mv；場效應(yīng)管型：大一些）多在前置放大器中產(chǎn)生誤差，可消除。設(shè)計時注意選用低U0S的運放和設(shè)計相應(yīng)調(diào)零電路。輸入失調(diào)電壓U0S輸入失調(diào)電流I0S概念當(dāng)運算放大器輸出直流電壓為零時，兩輸入端偏置電流的差值，即I0S＝IIB1－IIB2可以通過調(diào)零電路消除。一般說來，運算放大器的偏置電流越大，其輸入失調(diào)電流也越大。轉(zhuǎn)換速率SR,最大不失真頻率fmax轉(zhuǎn)換速率SR表示輸出電壓能夠跟蹤輸入電壓的能力當(dāng)輸出為正弦波為使輸出信號不失真運放的閉環(huán)放大倍數(shù)運放振蕩產(chǎn)生的原因及消除方法增加RC補償網(wǎng)絡(luò)2023/2/32.信號放大電路2.1測量放大電路的主要誤差源式中k——

玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T——

導(dǎo)體的絕對溫度（K）；B——

測量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)；R——

導(dǎo)體阻抗的實部(Ω)。

噪聲噪聲就是干擾有用信號的某種不希望的擾動。通常，把外部來的稱為干擾，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引起的噪聲2.信號放大電路2.1測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

——

由實驗確定的常數(shù)，對各種半導(dǎo)體，b=0.8~1.5，a通常為1；

f

——

工作頻率(Hz)。

散彈噪聲

流過二極管、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1.59×10-19C；

IDC

——

直流電流(A)；

B

——

測量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)。2.信號放大電路2.1測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）采用信號調(diào)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.信號放大電路2.1測量放大電路的主要誤差源共模抑制比KCMR概念運放工作于線性區(qū)域時，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）理想運放KCMR無窮大，實際KCMR為有限值設(shè)計高精度放大器時應(yīng)選用高KCMR的運放減小漂移影響的主要措施（1）采用低漂移放大電路；（2）合理設(shè)計偏置電路；（R3=R1//R2

）（3）采用信號調(diào)制解調(diào)。uoR2ui+∞-+NR1R32.信號放大電路2.1測量放大電路的主要誤差源在許多情況下需要測量的參數(shù)是差值形狀誤差、位置誤差、差壓、溫差 有許多參數(shù)表面上看不是差值，實際還是差值在多數(shù)情況下外界干擾主要是共模干擾在集成電路制造中，比較容易保證的是參數(shù)的一致性2.信號放大電路2.2高共模抑制比放大電路一、基本放大電路

2.信號放大電路ui+∞+-NuoR1R2R3uoui+∞-+NR1R2R3反相放大電路同相放大電路2.3典型測量放大電路理想運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)計公式式中，ri為運放的開環(huán)輸入阻抗，A為運放的開環(huán)增益，F(xiàn)為電路的反饋系數(shù)，即A>104;雙極型:ri>104Ω;場效應(yīng):ri>108Ω;2.2.1同相放大器b.特點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LF

30-300KHZ

中頻MF

300-3MHZ

高頻HF

3-30MHZ

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;

集成運算放大器

電阻、電容2.2.2反相放大器a.基本設(shè)計公式2.2.2反相放大器b.特點（1）低輸入阻抗，穩(wěn)定性好（2）無共模信號，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、用途缺點近似計算公式同相放大器Ad=1+R2/R1開環(huán)增益均大于104倍以上ri+=ri

(1+AF)場效應(yīng)晶體管：108以上r’o=ro/(1+AF)電路都采用電壓負反饋的形式，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；2、可避免放大器的輸入阻抗對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A=-R2/R1（1+R4/R5）2023/2/3一、基本差動放大電路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時電路的輸出uo1

ui2作用時電路的輸出uo2

2.2高共模抑制比放大電路獨立作用原理基本差動放大電路是反相放大電路與同相放大電路的組合2.信號放大電路一、基本差動放大電路取R2/R1=R4/R3

具有共模抑制能力。

2.2高共模抑制比放大電路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R32.信號放大電路一、基本差動放大電路實際上不可能完全做到R2/R1=R4/R3

2.2高共模抑制比放大電路2.信號放大電路一、基本差動放大電路電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。2.2高共模抑制比放大電路2.信號放大電路二、同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特色：1.同相輸入、高輸入阻抗；2.對于N2仍然是差動放大電路2.3.5高共模抑制比放大電路基爾霍夫定理2.信號放大電路二、同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路取2.2高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1增益與共模抑制比牽連2.信號放大電路三、三運放高共模抑制比放大電路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.2高共模抑制比放大電路RP調(diào)整兩臂平衡2.信號放大電路電路特點：輸入阻抗高；增益調(diào)整方便；對于理想運放，共模抑制比趨向無限大。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2三、三運放高共模抑制比放大電路2.2高共模抑制比放大電路2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.2高共模抑制比放大電路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1在信號傳輸中常采用屏蔽電纜當(dāng)傳感器與測量放大電路間有一定距離時，常用屏蔽電纜連接，屏蔽層一般接地。電纜輸入芯線與其屏蔽層之間的電容C1和C2

，以及傳感器和傳輸電纜內(nèi)阻RS1和RS2將在放大器輸入端形成兩個積分電路。共模輸入信號uic

在RS1、RS2上產(chǎn)生jωRS1C1uic、jωRS2C2uic的壓降

2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路差動放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2高共模抑制比放大電路引起輸出端差模電壓2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路對于原來的電路2.2高共模抑制比放大電路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1引入有源屏蔽驅(qū)動電路，屏蔽電纜芯線與屏蔽層共模電壓為零，消除了屏蔽電纜電容的影響。2.信號放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.2高共模抑制比放大電路∞+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo（1）差動放大器件特性不一致共模電壓產(chǎn)生差動電壓引起輸入共模抑制比變化2.信號放大電路五、運放器件偏離理想特性的影響2.2高共模抑制比放大電路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2（2）差動放大器特性不理想共模增益同時受阻抗不匹配和運算放大器N3的有限共模抑制比影響，由阻抗不匹配引起附加共模增益運算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信號放大電路五、運放器件偏離理想特性的影響2.2高共模抑制比放大電路2.信號放大電路五、運放器件偏離理想特性的影響（2）差動放大器特性不理想總附加共模增益比輸出總共模抑制比2.2高共模抑制比放大電路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2當(dāng)CMRR12>>KdCMRR3’時CMRR=KdCMRR3’某些傳感器輸出的信號電壓常在在微伏級，且為直流緩變信號，漂移是一個關(guān)鍵難題。常用措施包括(1)盡早調(diào)制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信號放大電路。許多情況下難以在傳感器內(nèi)直接調(diào)制，減小測量放大電路的電壓漂移，實現(xiàn)低漂移信號放大至關(guān)重要。集成電路中放大器通過模擬開關(guān)切換輪換工作，半個周期測量保存、失調(diào)電壓，另半個周期放大輸出，對失調(diào)電壓進行校正，實現(xiàn)自動調(diào)零。

2.3.6低漂移放大電路2.信號放大電路2.信號放大電路2.3低漂移放大電路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4時鐘2.信號放大電路2.3低漂移放大電路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4高低2.信號放大電路2.3低漂移放大電路b)誤差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s22.信號放大電路2.3低漂移放大電路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4時鐘高低2.信號放大電路2.3低漂移放大電路c)調(diào)零放大輸出UoC1UiR1R2K1-++N1U0s1電路特點：輸出電壓較穩(wěn)定,波動??；電路成本低（用一塊四運放LF347和一塊4位模擬開關(guān)CD4066即可組成）；適用于毫伏級的低電平放大?！?++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2#UiSb1R1###∞-++N4a)電路原理圖2.信號放大電路2.4高輸入阻抗放大電路問題提出：電路的接入不應(yīng)該影響原系統(tǒng)工作狀態(tài)有些傳感器（如電容式、壓電式）的輸出阻抗很高，可達108Ω以上，這就要求其測量放大電路具有很高的輸入阻抗，不至于因為放大電路的接入使傳感器輸出信號大幅度下降。開環(huán)集成運算放大器的輸入阻抗通常都很高，但反相運算放大電路等，其輸入阻抗遠低于同相運算放大電路。R2ui+∞-+NR1R32.信號放大電路2.4高輸入阻抗放大電路uoui+∞+-NR1R2R3+∞+-NuiuoR1R2b)

跟隨電路a)

同相放大電路采用同相輸入具有很高輸入阻抗2023/2/32.信號放大電路uo+∞+-NuiR1R2R3R4C12.4高輸入阻抗放大電路對于交流放大器需要為電容提供放電通道，它使輸入阻抗大幅度下降交流放大電路2023/2/3c)自舉式高輸入阻抗放大電路uoR1R2C2C1R3∞-++ui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。2.信號放大電路2.4高輸入阻抗放大電路2023/2/3d)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3∞-++2.信號放大電路2.4高輸入阻抗放大電路2023/2/3e)電流補償型電路輸入電阻為Ri=(R1R2)/(R2-R1)當(dāng)R2=R1時，Ri→∞，i2=i1

uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N22.信號放大電路2.4高輸入阻抗放大電路2.信號放大電路2.5電橋放大電路P應(yīng)變片測量力uuo靈2.信號放大電路2.5電橋放大電路uuousucx線圈測桿工件銜鐵2023/2/3何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路，或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。應(yīng)用于何種場合？應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。

2.5電橋放大電路2.信號放大電路2023/2/3（一）反相輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na點為虛地，故uo反饋到R1兩端的電壓定是-uab2.5電橋放大電路2.信號放大電路Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

2.信號放大電路R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu2.5電橋放大電路（二）同相輸入電橋放大電路2023/2/3（三）差動輸入電橋放大電路2.5電橋放大電路R1=R2>>R

ua=ub

2.信號放大電路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR2023/2/3（四）線性電橋放大電路2.5電橋放大電路2.信號放大電路uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=

ub

當(dāng)R3=R時量程較大，但靈敏度較低電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系的測量放大電路。例如，壓電式傳感器或電容式傳感器可將某些被測量（如力、壓力等）轉(zhuǎn)換成電荷信號輸出，再通過電荷放大電路輸出放大了的電壓信號。因此，電荷放大電路亦稱為電荷-電壓變換電路。2.信號放大電路2.6電荷放大電路

靈2.信號放大電路2.6電荷放大電路

QCRRiCiCcRsCs∞-++Nuob)實際等效電路圖QCuo∞-++Na)基本原理圖Cs—傳感器等效電容，Rs—傳感器泄漏電阻，Cc

—電纜電容，Ri

—運算放大器的輸入電阻，Ci

—運算放大器的輸入電容。R

—電荷泄放電阻。2.信號放大電路2.6電荷放大電路

把C、R等效到N的輸入端時，等效電阻R/(1+K)，等效電容C′=C(1+K)，K足夠大

2.信號放大電路2.6電荷放大電路

足夠大,相對運算誤差頻率特性,下限截止頻率高頻特性由運放器件特性決定

增益可控放大電路可以根據(jù)被測量值自動調(diào)整增益，以適應(yīng)測量不同范圍量值需要，使用靈活，有利于提高測量精度。(1)改變反饋電阻的自動增益調(diào)整電路

Rx=R3+r

V飽和導(dǎo)通，r很小，電路增益最大;

V截止，r→∞，電路增益最小。

2.信號放大電路2.7增益可控放大電路

uoR2R4R1ui控制信號R3∞-++NV靈(2)可編程增益放大電路

根據(jù)需要將R3~R6與

R2并聯(lián)，使增益減小。2.信號放大電路2.7增益可控放大電路

增益A

B

C

D10011115001111010112110111110UoUi1MΩ110kΩ20.4kΩ10.1kΩABCDR21MΩR110kΩ10kΩ∞-++NR3R4R5R6（3）LH0084集成可編程增益差動放大器

2.信號放大電路2.7增益可控放大電路

譯碼器和開關(guān)驅(qū)動電路Ui1R6Sa110kΩU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kΩR22kΩR14kΩR32kΩR56kΩR710kΩR910kΩR1330kΩR1560kΩR1460kΩR810kΩR1230kΩR1010kΩR1110kΩD0D1數(shù)字地8×107×46×110Uo131612151114∞+-+N1∞-++N3########U23Ui2∞-++N2（3）LH0084集成可編程增益差動放大器

改變R0、R1、R2改變差動級增益。改變R5、R6改變末級增益。2.信號放大電路2.7增益可控放大電路

ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.信號放大電路2.7增益可控放大電路

LH0084的數(shù)字輸入、輸出端子連接和放大倍數(shù)表數(shù)字輸入D1D0閉合開關(guān)差動級放大倍數(shù)（U2-U1）/（U

i2-Ui1）連接端子輸出級放大倍數(shù)Uo/（U2-U1）總放大倍數(shù)Uo/（U

i2-U

i1）00011011Sa1、Sb1Sa2、Sb2Sa3、