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1、第二章 信号预处理电路 信号放大电路,1 信号预处理（调理）目的: 对传感器输出的电信号预先进行一次处理(或调理)，以提高信号的质量，完成归一化。,2 信号预处理输出电路输出信号要求 （1）输出幅度达到国家标准 电压05V，电流420mA （2）限制信号的频率范围 既满足系统性能要求，又可以最大限度降低对采样保持电路和ADC的要求，以优化系统设计。,一 概 述,信号放大电路：幅度放大 微弱、动态范围不一致 滤波电路：频率滤波 各种干扰、采样频率 其它调理电路校正、补偿、检波、变换,3 信号预处理电路的组成,4 对信号放大电路的基本要求 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 一定的放大倍数和稳定的
2、增益； 低噪声； 低输入失调电压和输入失调电流以及低漂移； 足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比； 可调的闭环增益； 线性好、精度高； 成本低。,集成运放是一种多级直接耦合的高增益放大电路。输入级采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围；,5 集成运放的输入级采用差放电路,直接耦合方式的优缺点,低频特性比较好：直接耦合既可以放大交流信号，也可以放大变化缓慢的信号，还可以反映信号直流电平的变化。 便于集成：电路中没有电容和电感，只有管子和电阻。 设计、计算和调试不便：因为直接耦合方式是前后级直接相连，使各级的静态工作点不是独立的，会相互
3、影响。,零点漂移问题,电路的输入端短路时，输出电压应为某一初始值(用正、负电源供电时，一般要求为零)，而且应该不变。实际上，随着时间的迁移，输出电压会偏离初始值而作缓慢的随机的变动。这种现象就叫做零点漂移，简称零漂。,产生零点漂移的原因,元件参数变化 电源电压波动 晶体管参数随温度的变化是主要原因 UBE、ICBO 三个参数都与温度有关,零点漂移问题的严重性及抑制方法,采用恒温措施； 采用补偿法，采用热敏元件或二极管等； 设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移互相抵消。 在运算放大器中，广泛采用差动放大电路来抑制零漂。,差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放
4、大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。 差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基本特征有2个：（1）对称；（2）长尾。,二 差分放大电路,电路特点： （1） 理想对称电路； （2）共用射极电阻Re ； （3）两输入端、两输出端；,静态时(ui1 = ui1 =0)的特点： （1）VC1 =VC2； （2） uo = 0；,四种工作方式 双端输入双端输出；双端输入单端输出 单端输入双端输出；单端输入单端输出,1 静态分析,温度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,RE的作用,设
5、ui1 = ui2 = 0,RE 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,IC1= IC2= IC= IB,UC1= UC2= UCCICRC,UE1= UE2 =IBRBUBE,UCE1= UCE2 = UC1UE1,差模(differential mode)输入,ui1 = -ui2= uid / 2,共模( common mode) 输入,ui1 = ui2 = uiC,差模电压 放大倍数:,共模电压 放大倍数:,2 差放的输入信号分类,任意输入ui1 , ui2 ，都可分解成一对差模分量和共模分量,例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV,则：uid = 1
6、0mV , uic = 15mV,差模信号,共模信号,差模信号通路,3 差放的差模放大作用,放大倍数,单边差模放大倍数:,T1单边微变等效电路,若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,差模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相反。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相反；因此，双端输出的电压增量是单端输出电压增量的两倍。此时，长尾的电流增量和电压增量皆为零，这意味着长尾对差模信号而言，电阻值为零，这样，两管的发射极均为地电位，相当于标准共射放大电路，所以差放对差模信号具
7、有放大作用。,rod = 2RC,输入电阻：,输出电阻：,输入输出电阻,4 差放的共模抑制作用,共模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相同。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相同；因此，双端输出的电压增量为零。在共模下，长尾的电流增量是单管的两倍，它将削弱对输入共模信号的放大作用。这个作用称为共模负反馈。电路匹配精度越高，长尾电阻越大，共模抑制能力就越强。,RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变） 。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,共模信号通路,T1单边微变等效电路,AC 0,负载不影响影响共模放大倍数吗？,共模抑制比反映放
8、大电路综合性能,理想：,实际：80140 dB,5 差放电路总输出,6 恒流源式差放电路,电路结构:,（1） 恒流源相当于阻值很大的电阻。,（2） 恒流源不影响差模放大倍数。,（3） 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,RO3很大 见P162,7 差放电路的几种接法,双端输入双端输出：,Ad = Ad半,双端输入单端输出：,差分放大电路动态性能指标,对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。但双端输入可减小共模输入。,ud = ui , uc = 0,ud = ui , uc = 0.5ui
9、,8 集成运放差动放大器,基本电路 共模与差模输入,uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1) (ui2-ui1) 即只对差模信号进行放大 若放大器只有共模信号作用，则有 uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic 当R1=R2，R3=R4时，uoc=0 即输出信号中无共模信号成分,一般应用中，信号放大只要通过差动放大电路即可满足需求，但基本差放电路的精密度较差（输入阻抗低、共模抑制性差），且变更放大增益时需调整两个电阻。测量（仪用）放大电路则无以上缺点。 测量放大器是信号采集与调节系统
10、输入端的第一个电路，其主要功能是高精度放大、测量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量。,三 测量（仪用）放大器电路,提高输入阻抗,四个电阻匹配难，CMRR不高,1 三运放测量放大电路,先放大差模信号， 可降低后级的要求。,高输入阻抗、高CMRR、低漂移,后级主要起匹配作用，提高CMRR,A1， A2的 大且一致,当 时，,2 单片集成测量放大器,在信号处理中采用单片测量放大器芯片。具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。 美国Analog Devices公司提供的AD620 、AD521、AD522、AD612、AD614等。国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604
11、等。,AD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，只需外接一个电阻就可以设置13000范围的增益，且调节方便。,AD620脚位图 第5脚为参考电压（REF）。当A3的两路输入处于平衡状态时，OUTPUT端的电压就等于REF。 RG对应三运放测量放大电路中的R4。,放大增益关系式,AD620放大电路图,AD620非常合壓力感測方面的應用，如血壓量測、般壓力感測器之電橋電路訊號放大等。,例1 压力测量电路,电压跟随器,相对于传感器桥的三角形地,a/d的AGND的电平为2V,例2 右腿驱动ECG放大电路,右腿驱动电路，减小共模信号,AD612和AD
12、614测量放大器内部电路,AD612的测量电桥接线图,如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图所示，那么对交流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容C1、C2和传输线电阻Ri1、Ri2分别构成两个RC分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等，这就使共模干扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。,当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。,测量放大器在使用时护卫（Guard）端的连接,护卫端15脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压Vcm。屏蔽层接护卫端就使RC分
13、压器两端电位都是Vcm，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。,3 可编程（程控）测量放大器PGA,在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到统一化。,测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、增益电阻切换型和D/A转换型。,可编程增益放大器的基本电路,码控四段转换可编程增益放大器,4 集成可编程增益放大器,把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。,在典型的数据采集系统
14、中，PGA在ADC之前处理传感器/变送器信号的宽动态范围。很多公司把PGA和其他信号调理电路直接集成在ADC芯片上。这种方法有利于所占空间更小，比分离PGA和ADC方案具有更好的性能。然而，其成本比较高，集成PGA在ADC上除灵活性较低外，还有较高的时钟噪声电平。,隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,四 隔离放大电路,原理框图,通用隔离放大电路 AD277变压器耦合隔离放大器,