第二章-信号放大电路

第二章信号放大电路,运算放大器的误差及其补偿,1,噪声的基础知识,2,典型测量放大电路,3,隔离放大电路,4,一、实际运算放大器及其特性,第一节运算放大器的误差及其补偿,二、失调及其补偿,输入失调电压：集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压。常用代号Uos(mV数量级）Uos随时间和温度而变化零点变动称为零点漂移。输出失调电压：Ui=0，输出不为0时输出端的电压,a.外接失调补偿网络,b.运放常有失调调零端,Op07集成运算放大器,1、8脚之间就是输入失调电压的调零端,输入偏置电流：在标准电源电压及室温下，集成运放输出电压为0时，两个输入端静电流的平均值。,注意：这是使输入级能正常工作所需要的电流（这样后级才能正常工作）,输入偏置电流是提供OPA动作的原动力,输入失调电流：在标称电源及其室温下，当集成运放的输出电压为0时，流入放大器两输入端的静态基极电流之差。,IOS=|IBPIBN|,产生原因：实际上无法使Q1与Q2完全对称，值不匹配，IBPIBN。,可采用简单的补偿技术减少输入失调电流在电路中的影响,如果R3=R1/R2，IB1IB2，则VO=R2(IB1IB2)=R2IOS，我们应该看到R2越大，输出失调越大，因此反馈电阻R2能取的太大么？,通常R2=10100K,三、运放的振荡与相位补偿,电流、电压反馈：将负载电阻短接，看反馈信号是否消失，若消失，则为电压反馈，反之电流反馈。,自激振荡：指在没有输入信号时（Ui=0)，放大电路也有输出（Uo0），通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。,一个具有负反馈电路的放大器，只要A产生180的相位差，即可能激发振荡。,环路增益的相位,由于一般的OPA内部是由23段的放大器组成，因此出现三个极点的机会相当多，结果就会发生如图的相移情况。最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来工作。,相位补偿：在反馈放大电路的适当部分加入RC网络，以改变AF的频率响应。,很多集成运放都有外接相位补偿网络端,在高频区将产生附加相移，这就可能使负反馈变为正反馈，此时，如反馈深度较深，即1，就会产生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。,RC电路波德图,第二节噪声的基础知识,通常，传感器的输出信号：几毫伏，甚至更小。放大器输入噪声及其本身噪声，往往大于放大器的输入信号。怎么办？-需要减小噪声。,噪声定义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。内部的称为噪声，外部的称为干扰。,噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每Hz带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。,噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。例如接地噪声。,电路中常见的固有噪声：热噪声散弹噪声低频噪声,一.噪声的种类和性质,1.热噪声,电子都有随机运动，与温度有关。,电子随机运动产生很多电流脉冲，均值为0。,定义：-导体中电荷载流子的热激振动引起的。与频率无关，属于色噪声还是白噪声？,电流经电阻后产生噪声电压，方均值不为零,方均值电压：,K玻耳兹曼常数K=1.3810-23J/KT绝对温度B噪声带宽R导体的电阻或阻抗实部,例如：室温下290k下，R=1000，B=1Hz，则可求得Ut(t)=4nV,等效模型：,但是，B=1KHz，R=10M时，则可求得Ut(t)=12.7uV,2.低频噪声,低频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称1/f噪声。,方均值：,式中k1与材料有关的常数。I工作电流。a,b由实验确定的常数，对各种半导体b=0.81.5，a通常为1。f工作频率。,一般，频率低于1KHz时，低频噪声有很大作用，特别对于MOS场效应管更为明显，所以调制频率不应选得太低，至少高于1KHz。,色噪声,3.散弹噪声,由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0，方均值不为0。,q电子电荷，1.5910-19CB频宽IDC直流电流,白噪声,re,首先把放大器视为无噪声方框,Ut(t)加到放大器输入端的热噪声，通常是信号源内产生热噪声,RS信号源内阻,放大器的噪声用输入端串联的噪声电压发生器Un(t)和输入端并联的电流发生器In来代替。,Un(t)放大器各级电压噪声折算到输入端的等效值。,In放大器各级电流噪声折算到输入端的等效值。,二.处理放大器噪声的方法,1.等效输入噪声,当ZiRs时，,这种关系可见图2-41,衡量放大器中信噪比恶化程度的指标。信噪比信号有效功率S对噪声有效功率N之比，S/N。,噪声系数：,理想运算放大器F=?，我们应该努力减小还是增加F？,重要结论：Rs=ro，此时为最佳源电阻。,2.噪声系数,3.最小噪声系数和最佳源电阻,补充：数字滤波降噪技术（软件滤波算法）,滑动平均滤波方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4-12；温度，N=1-4作用：抑制随机噪声，并保留信号陡峭边沿非常有效，缺点是灵敏度下降。,累加平均滤波（算术平均滤波）方法：连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高。累加平均次数和信噪比之间的关系由以下公式表示：其中M是累加平均次数，SNRa是累加前的信噪比，SNRb是累加后的信噪比。作用：抑制随机噪声，缺点是对于测量速度较慢或响应速度要求较高的场合不适用。,第三节、典型测量放大电路,测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。,例如：电阻应变式传感器电桥放大器光电池、光敏电阻电流放大器,一、测量放大电路的基本要求和类型,阻抗匹配增益稳定低噪声低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比可调的闭环增益线性好、精度高成本低,二、反相放大电路,闭环增益,Ri=R1，Ro=0,可见输入阻抗不高，(1001000)R1(5100)K，(1001000)R2(501000)K，在提高放大器的输入阻抗与提高电路的增益之间存在一定的矛盾，可用变形一。,R3=R1/R2,带滤波器的反相放大器见变形二。,Kf=uo/ui=R2/R1,交流反相放大电路：增益和阻值Kf=R2/R1R3=R2电容作用C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1,三、同相放大电路,Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1/R2Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3Ro=0,同相输入运算放大器的同相端和反相端都等于输入电压，相当于输入端有一个共模信号，因此构成同相放大器时要求运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。,特例：电压跟随器,同相交流放大电路:C1：隔直电容R3：C1的放电回路，注意：R3必须有Zi=R3使同相放大器失去高输入阻抗的特点,交流电压跟随电路？,补充：电压跟随器的应用实例PH传感器电路中，前级输出阻抗很高，电压跟随器具有高输入阻抗，可实现阻抗匹配，电压跟随器起缓冲、隔离、提高带负载能力的作用。,四、差动放大电路,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。,差模电压uid=ui2ui1,由线性叠加原理分析可得若R1=R3，R2=R4，则uo=(R2/R1)ud即只对差模信号进行放大,这时若只有共模信号时，uoc=0，抑制共模信号,共模电压uic=(ui1+ui2)/2,抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR来表示：,如何求差动放大电路的共模抑制比？,要使CMRR，可得,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。一般的运放共模抑制比80db左右,所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100120dB,1.双运放高共模抑制比放大电路,反相串联结构型,N1反相放大：,同相串联结构型,N1同相放大,N2同相放大，输出端有,共模电压：,差模电压：uid=ui2-ui1,上式改为：,如何得到零共模增益？,同时，同相输入，输入阻抗很大,2.三运放高共模抑制比电路,uo,两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级,N3双端输入单端输出差放,差模增益：,由此我们可以看到共模信号是被抑制的，且不要求外部电阻匹配，同时为了消除N1、N2输入偏置电流，取R1=R2，调节电位器Ro，还可改变差模增益，这就是我们所说的大范围增益调整电路,缺点：N1和N2的CMRR1、CMRR2不相等时，会把输入端的共模信号传到输出端。,同时，N3输出级,前提：R3=R4，R5=R6,电阻偏差很大，影响输出，精度控制在0.1之内,N3两端之间接入R7和R8和RP共模补偿电路，调节RP，可补偿电阻的不对称。,补充：单片集成测量放大器,以AD620为例（典型三运放结构）特点：1.低成本，高精度；2.电源范围宽（2.318V）3.体积小，低功耗（1.3mA）4.只需一个外部电阻就可设置放大倍数1-1000；,单片集成测量放大器的优点：无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放。,应用场合：常用于传感器接口电路，心电图检测仪，精密电压电流转换电路等。,为保证增益控制的高精度，输入三极管用差分双极输入；用超工艺获得更低的输入偏置电流；通过输入级内部Q1-A1-R1和Q2-A2-R2反馈环路，保持输入三极管的集电极电流恒定，所以输入电压相当于加到外部增益控制电阻RG上；两个内部增益电阻R1和R2精确确定为24.7K。,电路增益：,3K,5V供电的压力传感器电桥：电桥功耗仅1.7mA，AD620和AD705缓冲电压驱动器对信号调节，使总供电电流仅为3.8mA，电路产生的噪声和漂移极低。,应用举例：压力传感器检测电路,AD705及其外围电路作用：右腿驱动，有缘屏蔽驱动。前置放大增益不能过大，RG=8.25K，G=7。,应用举例：心电检测电路,1.自动调零放大电路,N1主放N2误差保持N3时钟发生器（方波发生器）N4N3的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模拟开关N3驱动Sa1、Sa2，高电平导通，Sa1、Sa2导通时，Sb1、Sb2断开,六、低漂移放大电路（稳零放大电路）,.,Sa1、Sa2导通时，Sb1、Sb2断开时，失调调零状态，把失调电压记录下来,前半周：,N2也存在失调电压Uos2,Uc1Uos1,C1寄存了N1的输入失调电压,后半周：,N3输出低电平，Sa1、Sa2断开，Sb1、Sb2断合，电路进入信号放大状态。接通Ui，Ui反相放大+输入失调放大+C1的寄存电压,优点：1、输出电压稳定，波动小。2、失调和低频干扰小3、成本低,适用于毫伏级的低电平放大。,2.低漂移集成运算放大器,轮换自动校零集成运算放大器CAZ运算放大器斩波稳零集成运算放大器ICL7650高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高输入电阻（1011），输入失调电压(15）uV，普通运放(26）mV。,七、高输入阻抗放大电路,电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。,108以上,虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大器的输入阻抗同相放大器。,可在输入端加电压跟随器，但引入了跟随器的共模误差。,解决方法,高输入阻抗集成运放,通用运放组成的自举电路,1.高输入阻抗集成运算放大器,输入级类型输入阻抗芯片代表MOSFET1.5106MCA3140、CA3260FET106MLF356/A、LF412CMOSFET106MICL7613、ICL7641B/C,2.自举式高输入阻抗放大电路,总结：自举电路：是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减少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？,八、电荷放大电路,基本原理：,运算放大器N的反相端与传感器相连，N的输出经电容C反馈致其输入端。若N为理想工作状态，则反相输入端为虚“地”，直流输入阻抗很高，传感器的输出电荷只对反馈电容C充电，电容C两端的电压为Q/C，则电荷放大电路的输出是：,所以，电荷放大电路的输出电压与输入电荷量成正比，与反馈电容成反比，而与电路其他参数无关。,九、电流放大电路,基本原理：,运算放大器N的正相端接地，N的输出端经电阻分压反馈至反相端。若N为理想工作状态，则反相输入端为虚地，所以Ui=0。由于虚断，N的两个输入端电流为0，所以，输入电流信号全部流经电阻R1，经分析可得电流放大倍数：,所以，电流放大电路的输出电流与输入电流成正比，放大倍数与电阻R1、R2有关，而与电路其他参数无关。,参考课本图2-28及2-29,十、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。,如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），为传感器电阻的相对变化率,非线性,在1时，,此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受R影响.此外，该电桥电路中电源U需要浮置。,单端输入电桥放大电路,注意：1.非线性仍存在。2.电桥四个桥臂的电阻同时变化时，电压放大倍数不是常量。3.桥臂电阻R和R1的温度系数不一致时，增益不稳定，存在温漂。,差动输入电桥放大电路,参考课本图2-31,C)线性电桥放大电路,若R2=R(1+)，R3=R时，,注意：uo与成正比，即该电路为线性，但是缺点是灵敏度与桥臂电阻R有关，量程较大，灵敏度较低。,但a，b之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小,线性电桥放大电路,十一、增益调整放大电路,1.手动增益调整电路,左图为匹配电阻构成的差动放大电路，RP用来调节增益,可见，只要改变RP可改变放大倍数，但RP与增益之间是非线性的，因此调整范围小于10%，所以也叫小范围增益调整电路。,大范围增益调整电路，在三运放电路中已经介绍过。,注意这里是手动调节RP的值，不是自动的。,2.自动增益调整电路,电路增益自动在最大、最小之间变换。,图2-35a）改变反馈电阻的方法，反相放大的一个例子,当ui很小时，控制信号为零电平，V饱和导通，电路增益最大。,当ui很大时，控制信号为负电平，V截止，电路增益最小。,同理，R1和结构场效应管并联，我们把场效应管看成一个电阻Rx。导通时，Rx=0；截止时，Rx=。,当ui很小时，控制信号为低电平，V1、V2导通，电路增益最大。,当ui很大时，控制信号为高电平，V1、V2截止，电路增益最小。,3.可编程增益放大电路,通用运放可编程增益放大电路,多路模拟开关+通用运放,4个二极管的作用：提高开关断开时的抗干扰性能，消除噪声和其他高阻效应。断开时，uo使二极管正向偏置，源级箝位到0.6V，保证开关不接通。,当然，因为开关分布电容形成尖峰，只适用低增益、低精度场合。,增益公式？,b）多运放并联式,运放多，成本高，调试难，每个运放都要调失调。,但是也存在成本高，调试难的缺点。,集成测量放大器可选择增益大小外接模拟开关+反馈电阻的方式,数字式可编程增益放大电路,集成可编程增益放大电路,LH0084LH0086,增益公式可参考三运放高共模抑制比放大电路,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接地端的特殊测量放大电路。应用于何种场合？,第四节、隔离放大电路,一、基本原理,注意：这里的输入与输出的地是不一样的。,基本组成,符号,问题：普通运放虽然也能抑制共模干扰，为何有些场合必须用隔离放大器呢？,原理框图,变压器非常关键（变压器的匝数、体积和分布电容）,二.通用隔离放大器,1、AD277变压器耦合隔离放大器,如图：上面部分自左至右为信号传输通路,下面部分自右至左为电源能量传送通路,1、5引脚15V，是输出浮置电压（供传感器等使用）。,14、15、16引脚