chapter2 信号放大电路 第2次课 2学时

1、精密测控电路精密测控电路 与驱动技术与驱动技术 王雷王雷 beta=300; RC=2000; RL=100000; rbb=300; VCC=12; Rb1=6000; Rb2=6000; RE=1800; IEQ=(Rb2/(Rb1+Rb2)*VCC-0.6)/RE; Au=-beta*(RC*RL/(RC+RL)/(rbb+(1+beta)*0.026/IEQ) Ri=. Ro=RC 三极管放大电路参数计算三极管放大电路参数计算Matlab程序程序 知识回顾知识回顾 1. 基于晶体管的信号放大电路设计基于晶体管的信号放大电路设计 2. 基于晶体管的基于晶体管的开关电路开关电路设计设计 3

2、. 基于通用运放的信号放大电路设计基于通用运放的信号放大电路设计 思考题思考题1：交流：交流/电容隔直形式的跟随器，能否正常工作？电容隔直形式的跟随器，能否正常工作？ 思考题思考题2：运放输出端要不要接对地电阻？：运放输出端要不要接对地电阻？ 第二章第二章 信号放大电路信号放大电路 第四节第四节 新型特种放大器新型特种放大器/电路电路 （1）超精密运放）超精密运放 OP177、OP1177/OP2177/OP4177； OPA177、OPA277/OPA2277/OPA4277 1. 超精密超精密（高输入阻抗、高共模抑制比、低失调与低漂移）（高输入阻抗、高共模抑制比、低失调与低漂移） 全世界精

3、度最高单运放，偏置电压、电流分别达到全世界精度最高单运放，偏置电压、电流分别达到uV、nA 级，与仪表放大器相比毫不逊色！级，与仪表放大器相比毫不逊色！ （2）仪表放大器）仪表放大器/电路电路 图图2-9 仪表放大器结构仪表放大器结构 n 调节调节R0可以调节增益。可以调节增益。 n 关键阻抗参数经激光刀调整使之精确匹配。关键阻抗参数经激光刀调整使之精确匹配。 n 大幅提高共模抑制比。大幅提高共模抑制比。 2. 高输入阻抗高输入阻抗 （1）高输入阻抗运放）高输入阻抗运放 n 电容式、压电式传感器输出阻抗高达电容式、压电式传感器输出阻抗高达108 。 n MOSFET、FET、CMOS作为输入级

4、，输入阻抗达作为输入级，输入阻抗达106M 。 n 绘制绘制PCB时，漏电流流入高输入阻抗会形成干扰时，漏电流流入高输入阻抗会形成干扰，将运放的高，将运放的高 阻抗输入端周围用导体围住，构成屏蔽，并将屏蔽层接到阻抗输入端周围用导体围住，构成屏蔽，并将屏蔽层接到 （等电位屏蔽），参见教材图（等电位屏蔽），参见教材图2-24。较好。较好 （2）自举式高输入阻抗放大电路）自举式高输入阻抗放大电路 n 注意：不是所有情况下都要求放大电路具有高输入阻抗，应与传感注意：不是所有情况下都要求放大电路具有高输入阻抗，应与传感 器输出阻抗相匹配，使放大电路输出具有高信噪比。器输出阻抗相匹配，使放大电路输出具有高

5、信噪比。 图图2-11 自举式高输入阻抗放大电路举例自举式高输入阻抗放大电路举例 R2=R1 n 利用反馈提高电位、补充电流，来减小向输入回路索取电流，从利用反馈提高电位、补充电流，来减小向输入回路索取电流，从 而提高输入阻抗的电路成为自举电路而提高输入阻抗的电路成为自举电路。 （3）电荷放大电路）电荷放大电路（了解）（了解） 常用于压电式与电容式传感器，又称电荷常用于压电式与电容式传感器，又称电荷-电压变换电路。电压变换电路。 图图2-12 电荷放大电路电荷放大电路 高精度微弱电容检测技术是一个重要研究课题。高精度微弱电容检测技术是一个重要研究课题。 3. 自动调零自动调零 （1）自动调零放

6、大器）自动调零放大器/电路电路 （2）轮换自动校零放大器（）轮换自动校零放大器（CAZ运放）运放） （3）斩波稳零放大器）斩波稳零放大器 了解了解 3. 自动调零自动调零 图图2-13 斩波稳零放大器斩波稳零放大器 时钟驱动模拟开关，时序时钟驱动模拟开关，时序 分 误 差 检 测 和 寄 存 阶 段分 误 差 检 测 和 寄 存 阶 段 （Sa1、Sa2闭合）、校零闭合）、校零 和放大阶段（和放大阶段（Sb1、Sb2闭闭 合），失调电压缩小合），失调电压缩小K2倍，倍， 共模抑制比提高共模抑制比提高K2倍。钳倍。钳 位防止强干扰而使输入阻位防止强干扰而使输入阻 塞，内部调制补偿使放大塞，内部调

7、制补偿使放大 器具有宽频响。器具有宽频响。 4. 自动调整增益自动调整增益 （1）手动增益调整方法）手动增益调整方法 （2）自动增益调整放大电路）自动增益调整放大电路 改变场效应管的漏源电阻。改变场效应管的漏源电阻。 （3）可编程增益放大器）可编程增益放大器 模拟开关、单运放模拟开关、单运放/多运放组成小规模模数混合集成电路。多运放组成小规模模数混合集成电路。 （4）AGC放大器放大器 增益闭环反馈控制。举例：激光管功率稳定。增益闭环反馈控制。举例：激光管功率稳定。 了解了解 理解思路理解思路 第五节第五节 电桥及其放大电路电桥及其放大电路 1. 什么是电桥？什么是电桥？ n 常用于电参量式传

8、感器，如电感式、电阻应变式、电容常用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式式 传感器。传感器。 n 举例：电阻应变片举例：电阻应变片 n 输出特性曲线为输出特性曲线为S型，小范围取微分可近似为线性。型，小范围取微分可近似为线性。 2. 电桥放大电路电桥放大电路 图图2-14 电桥放大电路电桥放大电路 1 2 31 3 42 4 1* R R ZZ Z ZZ Z uuo 4)2/(1 1 1 2 u R R uo - + - + c) 差动输入差动输入 d) 线性放大线性放大 图图2-15 电桥放大电路电桥放大电路 差分电桥差分电桥（不理想）（不理想）和线性电桥和线性电桥 n在精密与超精

9、密测控领域有重要应用，还有其它形式如半桥在精密与超精密测控领域有重要应用，还有其它形式如半桥 图图2-16 半桥式电荷放大器（微弱电容检测）半桥式电荷放大器（微弱电容检测） n举例举例1：超精密铂电阻测温：超精密铂电阻测温 n举例举例2：张钟华院士量子化霍尔电阻基准：低温电流比较仪电桥：张钟华院士量子化霍尔电阻基准：低温电流比较仪电桥 3. 应用举例应用举例 自学了解自学了解 第六节第六节 隔离放大电路隔离放大电路 1. 信号隔离基本概念信号隔离基本概念 （1）信号传输需共地，带来问题：）信号传输需共地，带来问题： a）共地干扰，）共地干扰，b）安全问题）安全问题 思考题思考题：共地干扰产生的

10、根源（基本原理）？：共地干扰产生的根源（基本原理）？ （2）问题：）问题：在不共地情况下，在不共地情况下，如何实现电信号的如何实现电信号的传输？传输？ a）电磁耦合（变压器），）电磁耦合（变压器），b）光电耦合（光耦）光电耦合（光耦） 信号传输需共地信号传输需共地 5V 5000V 2.5V2500V 2. 隔离放大电路原理隔离放大电路原理（模拟（模拟/线性）线性） 图图2-17 隔离放大器原理框图隔离放大器原理框图 n变压器隔离传输直流信号需进行载波调制，线性度好；变压器隔离传输直流信号需进行载波调制，线性度好； 缺点是体积较大、工艺复杂，带宽较低（缺点是体积较大、工艺复杂，带宽较低（1kH

11、z）。）。 n光电隔离结构简单，体积小，成本低，带宽较高；光电隔离结构简单，体积小，成本低，带宽较高； 缺点是（发光二极管与光敏晶体管）非线性较大。缺点是（发光二极管与光敏晶体管）非线性较大。 n已有集成芯片产品，如美国已有集成芯片产品，如美国AD公司公司AD277和国产和国产284J、289（变（变 压器隔离），美国压器隔离），美国AD公司公司AD215和和 BB公司公司ISO164、ISO174、 ISO254（光电隔离）。（光电隔离）。 图图2-18 互补式光耦隔离放大电路互补式光耦隔离放大电路 i uRRu*/ 240 光耦非线性特性的补偿光耦非线性特性的补偿 3. 数字电路中的光耦隔

12、离数字电路中的光耦隔离 图图2-19 数字电路光耦隔离数字电路光耦隔离 n 模拟电路隔离的难点在于保证输入、输出信号的线性度（不失真）模拟电路隔离的难点在于保证输入、输出信号的线性度（不失真） n 数字信号隔离的难点在于保证逻辑电平上升沿的陡峭数字信号隔离的难点在于保证逻辑电平上升沿的陡峭 n 数字隔离器件种类较多，数字隔离器件种类较多，如如AD公司公司iCoupler专利技术（变压器耦专利技术（变压器耦 合），最高速度合），最高速度25Mbps（ADuM1201、ADuM1410/1/2， ADuM524X ），应用广泛，应熟练掌握。，应用广泛，应熟练掌握。 本节重点本节重点 2. 电桥及电

13、桥放大电路电桥及电桥放大电路 3. 信号隔离基本概念、原理信号隔离基本概念、原理 4. 数字电路中的光耦隔离电路数字电路中的光耦隔离电路 1. 超精密运放、仪表放大器等特种放大器选型超精密运放、仪表放大器等特种放大器选型 作业作业 1. 课后题课后题2-3、2-4、2-11。（红色选作）。（红色选作） 2. 分析图分析图2-18中中R1 R2时，加在输出级的共模电压为多少？时，加在输出级的共模电压为多少？ 3. 设计一放大倍数等于学号后两位尾数的仪表放大电路。设计一放大倍数等于学号后两位尾数的仪表放大电路。 4. 推导图推导图2-31、2-32输出精确表达式。输出精确表达式。（给出分析过程）（给出分析过程） 5. 某电阻应变片初值某电阻应变片初值1k，阻值变化范围，阻值变化范围0.9k1.1k，设计一单端输入电桥，设计一单端输入电桥 放大电路、一线性电桥放大电路，分析输出电压范围。放大电路、一线性电桥放大电路，分析输出电压范围。 6. 比较比较AD620、 ICL7650、OP177输入阻抗、开环放大倍数、失调、带输入阻