(第12章)信号的放大与调理电路

1、信号的放大电路信号的放大电路 12.1 信号处理电路信号处理电路 12.2 常见的放大器：常见的放大器：电桥放大器、集成运算放大器、电桥放大器、集成运算放大器、 电荷放大器、低漂移直流放大器、电荷放大器、低漂移直流放大器、 高输入阻抗放大器、低噪声放大器高输入阻抗放大器、低噪声放大器 1电桥电桥 由4个电阻组成一个四边形电路，其中一组 对角线接激励源（电压或电流），另一组对角线 接到电桥放大器上，如图12-1所示。R1R4称为 电桥的桥臂。 图图12-1 12-1 电桥电路电桥电路 输出电压为输出电压为 Vcd = I1R1I2R3 = 31 1234 R ER E RRRR 要使电桥平衡，必

2、须满足的条件为 R R1 1R R4 4 = =R R2 2R R3 3 上式中的任何一个电阻变化，都将使电桥失 去平衡，产生输出。测量此输出的大小即可测出 被测参数。根据电桥中可变电阻的数目不同，电 桥可分为单桥、双桥和全桥3种。 2电桥放大器电桥放大器 电桥放大器的形式很多。一般要求电桥放大 器具有高输入阻抗和高共模抑制比。考虑在实际 应用中的种种因素，如供给桥路的电源是接地还 是悬空；传感元件是接地还是悬空；输出是否要 求线性关系等，应选用不同的电桥放大器。 （1）半桥式放大器）半桥式放大器 这种桥路结构简单，桥路电源E不受运放共 模电压范围限制，但要求E稳定、正负对称、噪 声和纹波小。

3、如下图所示。 图图12-2 12-2 半桥式放大器半桥式放大器 f o 1 Rx VE Rx 当x较大时，输出电压与电阻变量呈非线性 关系。 本线路抗干扰能力较差，要求输入引线短， 并加屏蔽。 （2）电流放大式）电流放大式 图12-3所示为电流放大式电桥放大器，这是差动输 入式线路。 ff o 2 1 222 RREx VEx RxR 图图12-3 12-3 电流放大式电桥放大器电流放大式电桥放大器 该电路的特点是电桥供电电源接地。但是电 路的灵敏度与电桥阻抗有关。 12.1.2 高输入阻抗放大器高输入阻抗放大器 很多传感器的输出阻抗都比较高，如压电传 感器、电容传感器等。为了使此类传感器输出

4、的 信号在输入到测量系统时信号不产生衰减，要求 测量电路具有很高的输入阻抗。 常用自举反馈方法实现测量电路有高输入阻 抗。 图12-4 自举型高输入阻抗放大器之一 12.1.3 电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压Uo与输入电荷Q 成正比的放大电路。电荷放大器被主要用来与压 电传感器相连，其优点在于可以避免传输电缆分 布电容的影响。 图12-7所示为用于压电传感器的电荷放大器 等效电路。是一种带电容负反馈的高输入阻抗高 增益运算放大器。它的输出电压与传感器产生的 电荷分别用Vo和Q表示，图中，Cf为放大器反馈电 容，Rf为反馈电阻，Ct为压电传感器等效电容， Cc为电缆分布电容，Rt为压电传感

5、器等效电阻， Ao为放大器开环放大倍数。 图12-7电荷放大器等效电路 f 为得到输出电压Vo与输入电荷Q间的关系， 先将Cf与Rf等效到放大器的输入端，然后对各并 联电路使用结点电压法求Vo，得到 （12-8） o o otcof tf j 11 1j1 QA V ACCAC RR 一般情况下，Rt、Rf较大，Ct、Cc与Cf大约 是同一个数量级，而Ao又较大，因此，在式（12- 8）中，分母中的(Ct+Cc)(1+Ao)Cf，1/Rt+ (1+Ao)/Rf00时，时，v v1 1 = = v vi i，由于，由于R R5 5=1/2=1/2R R6 6， 所以所以v vo o = = 2

6、2v v1 1v vi i = =v vi i即即v vo o=v vi i。这样，。这样， 不论输入信号极性如何，输出信号总为正，不论输入信号极性如何，输出信号总为正， 而且数值上等于输入信号的绝对值，从而而且数值上等于输入信号的绝对值，从而 实现了绝对值输出。实现了绝对值输出。 12.2.2 峰值保持电路峰值保持电路 1峰值测量的意义峰值测量的意义 为了检测被测对象运动参数的瞬时峰为了检测被测对象运动参数的瞬时峰 值，就必须使持续周期短的信号，在时间值，就必须使持续周期短的信号，在时间 上可以扩展（即所谓保持），以便于指示上可以扩展（即所谓保持），以便于指示 和记录。和记录。 2峰值保持电

7、路的工作原理峰值保持电路的工作原理 从上面的分析看出，峰值保持器是一从上面的分析看出，峰值保持器是一 种特殊的采样保持器，又叫峰值检波器。种特殊的采样保持器，又叫峰值检波器。 对于峰值保持电路，要求其输出信号对于峰值保持电路，要求其输出信号Vo能能 自动跟踪输入信号自动跟踪输入信号Vi到峰值，并自动保持到峰值，并自动保持 下来，继后输入信号的变化，只有其幅值下来，继后输入信号的变化，只有其幅值 大于先前所保持的峰值时输出才继续跟大于先前所保持的峰值时输出才继续跟 踪输入一直到新的峰值。用数学语言说，踪输入一直到新的峰值。用数学语言说， 峰值保待器的输出最终保持的是最大峰值。峰值保待器的输出最终

8、保持的是最大峰值。 当输入信号时，由于二极管当输入信号时，由于二极管VDVD正向电正向电 阻很小，电容阻很小，电容C C很快被充电到输入电压很快被充电到输入电压V Vi i的的 峰值，输出电压峰值，输出电压V Vo o也很快达到最大值，这也很快达到最大值，这 是电容是电容C C的充电过程，也称跟踪阶段。当的充电过程，也称跟踪阶段。当V Vi i 过峰值下降，二极管过峰值下降，二极管VDVD就截止。由于就截止。由于VDVD的的 反向电阻及运算放大器的输入阻抗都很高，反向电阻及运算放大器的输入阻抗都很高， 所以电容所以电容C C上电荷放得很慢，这样使输出电上电荷放得很慢，这样使输出电 压保持下来，

9、此时电路处于保持阶段。压保持下来，此时电路处于保持阶段。 上述电路由于二极管上述电路由于二极管VDVD有有0.50.50.7V0.7V的的 不灵敏区，且二极管还存在非线性，故精不灵敏区，且二极管还存在非线性，故精 度不高。此外，受二极管截止时的漏电流度不高。此外，受二极管截止时的漏电流 和存储电容和存储电容C C的漏电流及输出放大器输入阻的漏电流及输出放大器输入阻 抗的限制，都会使存储电容上的电压产生抗的限制，都会使存储电容上的电压产生 漂移。而二极管的反向漏电流又随反向电漂移。而二极管的反向漏电流又随反向电 压的增高而增大。因而上述电路的峰值保压的增高而增大。因而上述电路的峰值保 持时间不长

10、。持时间不长。 3低漂移率峰值保持电路低漂移率峰值保持电路 图图12-1312-13所示是一个低漂移率同相型峰所示是一个低漂移率同相型峰 值保持电路。图中值保持电路。图中A A2 2是具有场效应管作为是具有场效应管作为 输入级的高阻抗运算放大器，它置在总反输入级的高阻抗运算放大器，它置在总反 馈回路内，有利于提高跟踪精度。馈回路内，有利于提高跟踪精度。A A1 1选用选用 具有高共模抑制比的运算放大器，它主要具有高共模抑制比的运算放大器，它主要 为存储电容提供稳定的充电电流。为存储电容提供稳定的充电电流。 图图12-13 12-13 低漂移率同相型峰值保持电路低漂移率同相型峰值保持电路 当当V

11、 Vi iV Vo o时，时，VDVDl l导通，场效应管导通，场效应管VTVT1 1的的 栅源电压近于栅源电压近于0.6V0.6V，故，故VTVT1 1导通，运放导通，运放A A1 1通通 过过VDVDl l、VTVT1 1对电容对电容C Cl l、C C2 2充电，使输出跟踪充电，使输出跟踪 输入。输入。 当当V Vi iV Vo o时，时，VDVD1 1截止，截止，A A1 1的输出端也的输出端也 即即VTVTl l的栅极为负电压。而的栅极为负电压。而VTVT1 1的源极由于的源极由于C C1 1 的缓慢放电，所以仍为正电压；因而的缓慢放电，所以仍为正电压；因而VTVTl l截截 止。这

12、时电容止。这时电容C C2 2与与A A1 1输出端之间的漏电流输出端之间的漏电流 通道被通道被VDVD1 1相相VTVT1 1切断，电路进入保持阶段。切断，电路进入保持阶段。 在保持阶段电容在保持阶段电容C C1 1和和C C2 2上几乎相等，上几乎相等， 即即VTlVTl漏源之间的压降很小，因此漏源之间的压降很小，因此VTVT1 1所产所产 生的漏电流非常微小。这样该电路可以看生的漏电流非常微小。这样该电路可以看 成具有双重保持功能的峰值保持器，即成具有双重保持功能的峰值保持器，即VDVDl l、 C C1 1为第一重，为第一重，VTVT1 1、C C2 2为第二重。为第二重。 VT VT

13、2 2为场效应开关管，用以清除保持电为场效应开关管，用以清除保持电 压。当复位指令出现时，场效应管压。当复位指令出现时，场效应管VTVT2 2导通，导通， C C2 2通过通过VTVT2 2放电，放电，V VC C2 2回零，复位指令消失后，回零，复位指令消失后， VTVT2 2截止，又开始新的峰值保持过程。截止，又开始新的峰值保持过程。R R2 2为为 保护电阻，防止电压突变而使保护电阻，防止电压突变而使A A2 2过载。过载。C C3 3 与与C C4 4可提高电路的稳定性及改善动态响应可提高电路的稳定性及改善动态响应 持性。持性。 12.2.3 真有效值检测电路真有效值检测电路 1有效值

14、检测的意义有效值检测的意义 有效值在工程上是一种常见的重要参有效值在工程上是一种常见的重要参 数。在电子技术中它反映了交流电量（电数。在电子技术中它反映了交流电量（电 流、电压、功率）的大小；在机械振动中流、电压、功率）的大小；在机械振动中 它反映了动能和位能的大小；在随即振动它反映了动能和位能的大小；在随即振动 测量中，测出了某一窄频带内的有效值，测量中，测出了某一窄频带内的有效值， 就可以得到功率谱密度，从而对随机振动就可以得到功率谱密度，从而对随机振动 进行谱分析或控制。进行谱分析或控制。 在噪声测量中，有效值反映了噪声电在噪声测量中，有效值反映了噪声电 平和噪声功率大小。平和噪声功率大

15、小。 2有效值检测的原理和方法有效值检测的原理和方法 从物理学和数学知识可知，一个随时从物理学和数学知识可知，一个随时 间变化的物理量间变化的物理量y y的有效值的有效值Y Y定义为定义为 2 0 1 d T Yyt T 式中：式中：T T该物理量变化的周期或指该物理量变化的周期或指 该量从加入到稳定指示所需的时间。该量从加入到稳定指示所需的时间。 从有效值的定义式可知，为了检测有从有效值的定义式可知，为了检测有 效值，必须先将输入信号平方，然后再求效值，必须先将输入信号平方，然后再求 该平方值的平均根值。所有的有效值检测该平方值的平均根值。所有的有效值检测 电路都应能完成这两种运算。电路都应

16、能完成这两种运算。 图图12-1512-15所示为折线逼近式有效值电路。所示为折线逼近式有效值电路。 为了便于说明电路的工作原理，设输入信为了便于说明电路的工作原理，设输入信 号号v vi i为正弦信，即为正弦信，即v vi i = =V Vm msinsin t t。信号经。信号经 桥式整流后加到桥式整流后加到R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成的分压组成的分压 器上，并对电容器上，并对电容C C充电。为简化电路分析，充电。为简化电路分析， 设电路中的二极管均为理想二极管，即它设电路中的二极管均为理想二极管，即它 不存在死区电压，且电流与电压呈线性关不存在死区电压，且电

17、流与电压呈线性关 系。系。 图图12-14 12-14 折线逼近示意图折线逼近示意图 图图12-15 12-15 折线逼近式有效值电路折线逼近式有效值电路 在输入电压在输入电压v vi i的作用下，经过一段时的作用下，经过一段时 间后，电容间后，电容C C上的平均电压将趋于稳定。电上的平均电压将趋于稳定。电 容容C C上电压的稳定过程如图上电压的稳定过程如图12-1612-16所示。所示。 如图如图12-1712-17所示给出了电容电压稳定后所示给出了电容电压稳定后 的的V Vc c（t t）和）和i iv vi i的波形图。图的波形图。图12-1712-17（b b） 以输入信号以输入信号v

18、 vi i的零点作为坐标原点。在的零点作为坐标原点。在v vi i NVNVc c( (t t) )时，整流电桥处于截止工作状态，时，整流电桥处于截止工作状态， 电桥无电流流出，此时电桥无电流流出，此时v va a = =NVNVc c( (t t) )，电容，电容 C C处于放电工作状态，放电电流处于放电工作状态，放电电流i i包括电阻包括电阻 R Re e中的电流中的电流i ie e和流经电阻和流经电阻R Ra a中的电流中的电流i ia a。 放电电流放电电流i i的绝对值随着电容放电，的绝对值随着电容放电， 以近似线性的速率减小，如图以近似线性的速率减小，如图12-1712-17（b

19、b） 中的折线中的折线1 1所示。所示。 当输入电压当输入电压v vi i随时间逐渐增加至随时间逐渐增加至 v vi iNVNVc c（t t）时，整流电桥开始处于正常）时，整流电桥开始处于正常 工作状态，工作状态，v va a = =v vi i。此时。此时i ia a随着随着v vi i的增大的增大 而进一步减小，因而放电电流而进一步减小，因而放电电流i i也随着也随着v vi i 的增大而进一步减小。的增大而进一步减小。 随着随着v vi i的进一步增大，当达到的进一步增大，当达到 v va a = =v vi iV Vc c( (t t) )时，电流时，电流( (i ia a) )开始

20、变换方开始变换方 向，向，i ia a = = v va aV Vc c( (t t)/)/R Ra a，i i的变化如图的变化如图12-12- 1717（b b）中的折线段）中的折线段2 2的下半部分所示。的下半部分所示。 在在i ia a的数值小于的数值小于i ie e的情况下，电容的情况下，电容C C仍仍 处于放电状态，但放电电流值随处于放电状态，但放电电流值随v va a的增加的增加 而减小。而减小。v vi i继续增大，当达到继续增大，当达到i ia ai ie e时，电时，电 容容C C由放电变为充电，电容由放电变为充电，电容C C的端电压从的端电压从 V Vc c( (t t)

21、)开始由下降变为上升。电流开始由下降变为上升。电流i i = =i ia ai ie e， 变化的斜率不变，如图中折线段变化的斜率不变，如图中折线段2 2的上半部的上半部 分所示。此时分所示。此时v vi i在电阻链在电阻链R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4上上 的分压的分压v vi iV Vc c( (t t) )，VDVD5 5仍截止。仍截止。 v vi i随时间继续增加，当随时间继续增加，当v vi iV Vc c( (t t) )时，时， 二极管二极管VDVD5 5导通，导通，v v1 1开始经电阻开始经电阻R Rb b，以，以 i ib b = = 对电容对电容C

22、 C充电。充电。 1c b ( )vV t R v vi i增至增至V Vm m之后，开始随时间而下降。之后，开始随时间而下降。 于是充电电流也开始下降，逐步由于是充电电流也开始下降，逐步由 i ia a+ +i ib b+ +i ic c+ +i id di ie e变为变为i ia a+ +i ib b+ +i ic ci ie e， i ia a+ +i ib bi ie e和和i ia ai ie e，v vi i继续下降，当达到继续下降，当达到 i ia ai ie e时，电容时，电容C C开始由充电变为放电。开始由充电变为放电。 在上述循环过程中，可以把电流在上述循环过程中，可以把

23、电流i i分解分解 为两部分：一部分是电容为两部分：一部分是电容C C向向R Re e放电的电流，放电的电流， 其值为其值为i ie e = =V Vc c( (t t)/)/R Re e；另一部分是随；另一部分是随v vi i变变 化的电流化的电流ii，它可以是经电阻，它可以是经电阻R Ra a向电容向电容C C 充电的电流充电的电流i ia a，也可以是同时经，也可以是同时经R Rb b、R Rc c、 R Rd d、向电容向电容C C充电的电流充电的电流i ib b，i ic c和和i id d之和。之和。 当电容当电容C C的端电压的端电压V Vc c( (t t) )达到动态平衡时，

24、达到动态平衡时， 电容电容C C放电所失去的电荷量应等于它被充电放电所失去的电荷量应等于它被充电 所获得的电荷量。所获得的电荷量。 上述结果表明，由图上述结果表明，由图12-1512-15所示电路所所示电路所 形成的形成的i iv vi i折线是一组随输入电压折线是一组随输入电压v vi i幅值幅值 的不同而不同的折线族，它满足的不同而不同的折线族，它满足K K= =常数。常数。 设常数为设常数为H H，并将代入式（，并将代入式（12-1712-17），则可），则可 得得 （12-1912-19） 2 cei 0 1 d T VR Hvt T 上式表明，图上式表明，图12-1512-15所示电路中电容所示电路中电容C C 上的平均电压正比于被测电压上的平均电压正比于被测电压v vi i的有效值。的有效值。 因此，采用此电路即可实现有效值检测。因此，采用此电路即可实现有效值检测。 上述分析结果是在假定图上述分析结果是在假定图12-1512-15电路中电路中 所采用的整流元件所采用的整流元件VDVD1 1VDVD7 7为理想二极管为理想二极管 的情况下获得的。若采用一般的晶体二极的情况下获得的。若采用一般的晶体二极 管作整流元件，则不可能得到准确的测量管作整流元件，则不可能得到准确的测量 结果。众所周知，一般的整流元件都是非结果。众所周知，一般的整流元件都