第二章信号放大电路.ppt

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1、第二章 信号放大电路,第一节 运算放大器的误差及其补偿 一、实际运放的特性 1）差模开环直流电压增益 （差模增益Aod ） 当运放工作于线性区时，输出电压(U0 )的变化与差模电压(Ui)的变化的比值，称为差模开环电压增益。一般运放的差模开环直流电压增益在90100dB之间。 第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的A741，在60年代后期广泛流行。 实际运放的差模开环增益是频率的函数，手册中给出的均指直流（或低频）的开环电压增益。,2）共模抑制比 KCMR=差模增益Aod/共模增益Aoc 当运放工作于线性区时，其差模电压增益与共模电压增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的

2、指标，它表示抑制差模输入中的共模干扰信号的能力。由于共模抑制比很大，也采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80120dB之间。 共模抑制比也是频率的函数，手册中给出的均指直流（或低频）的指标。 3）共模增益 当运放工作于线性区时，在输出电压的变化（u0）与共模电压的比值。 4）输入阻抗,指差模输入阻抗，当运放工作于线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流的变化量之比。采用双极型晶体管作输入级的运放，其输入电阻在几十千欧到几兆欧；而场效应管作输入级的运放，其输入电阻通常大于109欧。 5) 输出阻抗 在线性工作状态时，输出阻抗极低，可以忽略对负载的影响。当工作在非线性状态时，运

3、放的输出电阻（阻抗）将对电路的性能产生较大的影响。 6) 开环带宽 开环电压增益由直流下降3db所对应的信号频率称为开环带宽。普通的运放的开环带宽只有几kHZ到几十kHZ，在需要处理的信号的频率较高时，一定要选用宽带放大器。 rail-rail 轨到轨（满摆幅的意思 ），单电源供电，低功耗，小封装，低噪声等 http:/ 1) 输入偏置电流(bios) 当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。 2）输入失调电流(offset) I0s 当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流

4、反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。 输入失调电流是运放的一个十分重要的指标。输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻，输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。 输入失调电流温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,3) 输入失调电压 u0s 集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。 输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性。 输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。 输入

5、失调电压与制造工艺有关，其中双极型工艺的输入失调电压在110mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。 输入失调电压温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 4）输入失调电压和电流的影响,利用Vp=Vn,可得Vo为,若R2=R1/Rf,则,结论： 1、为减小输入失调电流和电压的影响，反馈电阻Rf不能取的太大 2、增益越大，输入失调电压和电流的影响就越大 3、平衡电阻（R2=R1/Rf）的取法是为了消除输入偏置电流的影响,三、转换速率 转换速率（也称为压摆率）SR 在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号

6、时，运放输出电压的最大变化率称为转换速率。 在设计具有阶跃形式的信号放大、驱动电路时，必须考虑运放的压摆率。 四、振荡与相位补偿 参见模拟电路中负反馈电路的稳定性章节。,一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？ 1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。 2、对其基本要求： 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增益； 低噪声；,第二节 典型测量放大电路,低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； 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。 3

7、、测量放大电路的类型,运算放大器的两个工作区域（状态）,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。 运放的AVO=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,AVO越大，线性区越小， 当AVO时，线性区0,运放基础,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数 AV0= 差摸输入电阻 Rid= 输出电阻 R0=0,为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！,3. 线性区,由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不 足1 m

8、V，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。,运放工作在线性区的分析方法： 虚短（U+=U-） 虚断（ii+=ii-=0）,4. 非线性区（正

9、、负饱和输出状态）,运放工作在非线性区的条件： 电路中开环工作或引入正反馈！,二、反相放大器 1、基本形式 指标： Kf= uo / ui = R2 / R1 Ri=R1 R3= R1 / R2 特点：输入阻抗低 性能稳定 共模误差小 设计:R1的选取,2、反相放大器的实用形式 C1：隔直电容 C2：旁路电容，防止振荡,三、同相放大器 1、基本形式 指标：Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 R3= R1 / R2 特点：高输入阻抗 精度低 易受干扰 设计：提供输入偏置电流通路,2、同相交流放大电路 C1：隔直电容 R3 ：C1的

10、放电回路 R3 必须有 zi =R3 使同相放大器失去高输入阻抗的特点,3、交流电压跟随电路 同相放大电路的特例 为减小失调电流的影响，R3= R2,四、基本差动放大器 什么是差动放大器？ 差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,差动放大器,基本电路 共模与差模输入,差动放大器,uid= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2 由电路可得 uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1) ud 即只对差模信号进行放

11、大（高共模抑制比） 假设只有共模信号作用时 当R1=R2，R3=R4时，uoc=0 即输出信号中无共模信号成分 差模输入阻抗=2R1,五、高共模抑制比放大电路 什么是高共模抑制比放大电路？ 用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。 应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。,1、反相串联结构型 uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2 当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时， uo=0 通常取R1=R5，（使信号源的 负载相同） R2=R4 输入阻抗低,2、同相串联结构型 uo1=(1+R2/R

12、1) ui1 (uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4 uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 为了获得零共模增益，可取 R1/R2=R4/R3 优点：输入阻抗高 不足：非对称处理ui1、ui2，导致一个信号延时。这样当f上升时，两个输入信号的共模分量不会再相抵消，导致共模抑制比大大下降！,3、三运放高共模抑制比放大电路 IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp uo =(uo2uo1)R5 /R3 uo =(ui2

13、ui1) 1+（R1+R2)/Rp R5 /R3 Uo与Rp是非线性关系,高输入阻抗缓冲级,共模补偿电路（补偿电阻的不对称）目的？,特点： 高输入阻抗 前级电路不需匹配电阻 共模抑制比=120dB 增益非线性可调节（不影响共模抑制比）,4、有源屏蔽驱动电路 什么是有源屏蔽驱动电路？ ua =uic (1/jC1 ) / Rs1+1/jC1= uic /(1+jC1 Rs1 ) ub =uic (1/jC2 ) / Rs2+1/jC2= uic /(1+jC2 Rs2 ) 当Rs1 C1 Rs2 C2时， ua ub；共模信号产生了差模输入。 将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比

14、例差动放大后，使其输入端的共模电压11地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。,屏蔽电缆,高通？低通？,应用于何种场合? 经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。,1：1的共模电压,六、电桥放大电路 何谓电桥放大电路？ 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。 应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电

15、桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,uab =Z4/(Z2+Z4)-Z3/(Z1+Z3 )u uo/(R1+_R2)= -uab /R1 uo = -Z4/(Z2+Z4)-Z3/(Z1+Z3 )u(1+ R2/ R1) 若Z1 = Z2 = Z4 =R, Z3 = R(1+) uo = (1+ R2/ R1) u*/4(1+ /2) 可见： 增益与桥臂电阻无关 输出电压与电阻的变化率为非 线性关系,（一）单端输入电桥放大电路,（二）差动输入电桥放大电路 uo = (1+ 2R1/ R) u*/4(1+ /

16、2) 特点：电路的增益不是常数 输出电压与电阻的变化率为非 线性关系 当桥臂电阻与R的温度系数不同时 增益也不稳定 浮置电源：浮置就是不要把电源回路接地，无论正负极、中点，或交流的任何一相、中性点等，这样电源两极对地阻抗是一样的，而干扰信号一般是对地的，这样浮置的回路对干扰就是对称的，干扰就因对回路是共轭的而被对消。,（三）线性电桥放大电路 ua =u0 R1/（R1+R2)+u R2/（R1+R2) ub =uR3/（R1+R3) u0 = u （R3-R2)/（R1+R3) 当R3=R u0 =-R u /（R1+R),七、低漂移放大电路（稳零放大电路） 自动调零放大电路 低漂移单片集成运

17、算放大器,1自动调零放大电路,由图a，当N3输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失调调零状态，见图b。 Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1 U0s1U0s2/K1 Uc1U0s1 电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。,当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。 Uo=(R2/R1)Ui U0s1 K1 Uc1K1 Uo(R2/R1)Ui 实现了对失调电压的校正， 达到了自动调零的目的。 电路特点： 性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路； 输出电压较稳定； 波动小； 电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟

18、开关CD4066即可组成）； 适用于毫伏级的低电平放大。,2、低漂移单片集成运算放大器 1）、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器） 什么是CAZ运算放大器？ CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。,CAZ运算放大器,2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650),斩波稳零集成运算放大器,误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时Uc2Uo2(K

19、2U0s2+Kc2Uc)/K2。 校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。 此时， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。,1、高输入阻抗集成运放 2、自举式高输入阻抗放大电路 a)同相交流放大电路,八、高输入阻抗电路,b)交流电压跟随电路,c)自举组合电路 输入电阻为 Ri=(R1R2)/(R2-R1) 当R2=R1时，Ri i2 = i1,自举电路,何谓自

20、举电路? 自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。 是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？ 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,第三节 隔离放大电路,什么是隔离放大电路？ 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。 应用于何种场合？ 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。,隔离放大电路,（一）基本原理 1、组成及符号 Uo=Kd1 Ud + Kc1 Uc+ Uiso/IMRR,隔离放大电路,2、原理框图,隔离放大电路,（二）通用隔离放大电路 1、AD277变压器耦合隔离放大器,隔离放大电路,2、光电耦合放大电路 iD=(ui+E)/R1 Uo=-(R3*ib+ube),隔离放大电路,i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp) uo=(R5+ Rp) ui/R1,隔离放大电路,（三）程控增益隔离放大电路,