测控电路教案02

1、第二章 信号放大电路n集成电路是一种将集成电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合的器件紧密结合的器件。n以半导体单晶硅为芯片。以半导体单晶硅为芯片。n采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起。完整电路制作在一起。n封装并引出管脚，使之具有特定功能。封装并引出管脚，使之具有特定功能。n集成运放是一种输入阻抗高、输出阻抗低、电压放集成运放是一种输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数非常大的多级直接耦合放大器。大倍数非常大的多级直接耦合放大器。差动

2、输入级差动输入级中间放大级中间放大级输出级输出级偏置电路偏置电路uouu集成运放的基本结构集成运放的基本结构( (差动放大器差动放大器) )抑制零点漂移( (互补对称电路互补对称电路) )增加带负载能力( (共射电路共射电路) )获较大获较大的的uA提供偏置电流第二章 信号放大电路n、运算放大器基础、运算放大器基础n1、实际运算放大器及其特性：、实际运算放大器及其特性：n失调及其补偿：失调及其补偿：1、输入失调电压、输入失调电压 uos: 放大器必须在输入端加上一个直流电压后，才能使输出为零，这一电压即为输入失调电压。输入失调电压随时间和温度的变化称零点漂移零点漂移。当输入电压为零，而输出不为

3、零时，输出端电压称为输出失调电压输出失调电压 u0 u0=(1+Rf /R1) u0s第二章第二章 信号放大电路信号放大电路第二章 信号放大电路n输入失调电流输入失调电流 Ios:)()(/)1 (12120211121102bbososfbbffffpbpfbfIIIIRIIRuRRRRRRRIRRRIRu若为减小为减小Ios对对U02的影响，的影响，Rf不不能取值过大，一般能取值过大，一般10100KU02为由失调电流产生的输出失调电压n输入失调电压和输入失调电流的实测第二章第二章 信号放大电路信号放大电路1021/1sUuRR开关开关S闭合时，输出端闭合时，输出端读数为读数为U1开关开关

4、S打开时，输出端打开时，输出端读数为读数为U2123120/1RRRUUIs第二章 信号放大电路n输入失调电压输入失调电压/电流的调整方法：电流的调整方法：1、外部调整法、外部调整法n输入失调电压输入失调电压/电流的调整方法：电流的调整方法：2、内部调整法、内部调整法n输入失调电压输入失调电压/电流的调整方法：电流的调整方法：2、内部调整法、内部调整法第二章 信号放大电路q最大不失真频率最大不失真频率:muSRf2maxum输出正弦波的幅值转换速率转换速率 SR ： 运放的输入信号为高频正弦波，而输出为运放的输入信号为高频正弦波，而输出为三角波时，三角波的斜率，三角波时，三角波的斜率，V/us

5、。tuSR表征输出电压能够跟踪输入电压的能力。一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？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测量放大电路，亦称仪用放大电路仪用放大电路。2、对测量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增益；低噪声；第二章 信号放大电路第二章 信号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。第二章 信号放大电路3、测量放大电路的类型（1）按结构原

6、理分按结构原理分 差动直接耦合式（单端输入、电桥式、电荷） 调制式 自动稳定式（2）按元件制造方式分按元件制造方式分 分立元件结构形式 通用集成运算放大器组成 单片集成测量放大器第二章 信号放大电路4、几个重要术语开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压uos输入失调电流Ios零点漂移共模抑制比共模抑制比CMRR=差模增益差模增益Kd/共模增益共模增益Kc 第二章 信号放大电路二、典型放大器的设计二、典型放大器的设计（一）反相放大器（一）反相放大器Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 uoR3uiR1R2-+N1第二章 信号放大电路（二）同相放大器

7、Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 Zin为开环输入阻抗为开环输入阻抗Zi为输入电阻为输入电阻uoR3uiR1R2-+N1第二章 信号放大电路（三）交流放大器1、交流反相放大电路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2-+N1C1C3交流放大器2、同相交流放大电路Kf= uo / ui = 1+R2 / R1C1：隔直电容R3 ：C1的放电回路 R3 必须有zi =R3 使同相放大器失去高输入阻抗的特点uoR3uiR1R2-+N1C1交流放

8、大器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，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1第二章 信号放大电路（四）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。 有利于抑制共模干扰，减小温度漂移。差动放大器 基本电路 共模与差模输入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4uid/2R1-+N1R2uid/2uic差动放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效电路uid= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+

9、R3/R1)/(R4+R2)ui2- (R3/R1)ui1 iddiccid12121434ic121213440uKuKuRRRRRRRR21uRRRRRRRRu121214341212143421CMRRRRRRRRRRRRRRRRRRKKcd共模抑制比共模抑制比差动放大器若若R1=R3，R2=R4，则则uo=(R3/R1)(ui2-ui1)=(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当当R1=R2，R3=R4时，时，uoc=0即输出信号中无共

10、模信号成分即输出信号中无共模信号成分第二章 信号放大电路四、高共模抑制比放大电路四、高共模抑制比放大电路 什么是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扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。大电路。 应用于何种场合？应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于应用于要求共模抑制比大于100dB的场的场合，例如人体心电测量。合，例如人体心电测量。 高共模抑制比放大电路（一）双运放高共模抑制比放大电路双运放高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型反相串联结构型uo=(R2/R1)(

11、R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2高共模抑制比放大电路2、同相串联结构型uo1=(1+R2/R1) ui1(uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1同相串联结构型n由于uic=(ui1+ui2)/2 uid=ui2-ui1故：为了获得零共模增益，可取 R1/R2=R4/R3= Rf/R闭环增

12、益：Kd=1+Rf/RidicuRRRRRRuRRRRu)21 (21)1 (31423431420高共模抑制比放大电路（二）三运放高共模抑制比放大电路（二）三运放高共模抑制比放大电路IR=(u02ui2)/R2=(ui1u01)/R1=(ui2ui1)/Rp u01=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ， u02=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp，ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3三运放高共模抑制比放大电路n差模输出n差模增益n取R1=R2，以保证电路的对称性。则上述共模输出在Rp两端相互抵消。 u01=uic(

13、R1/Rp+1/2) uid，CMRR1= R1/Rp+1/2 u02= uic+(R2/Rp+1/2) uid ，CMRR2= R2/Rp+1/2)(1 (12210102iipuuRRRuupiidRRRuuuuK211201021由此可知输入级的输出电压可得：由此可知输入级的输出电压可得：三运放高共模抑制比放大电路n输入级共模抑制比：n如果输出级N3的电阻不匹配，也会引起共模误差，输出级共模增益为：n共模抑制比212112CMRRCMRRCMRRCMRRCMRR335356463114)1 (dcKRRRRRRRKRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRR33330503RRKd4/

14、)1 (3dRKCMRR三运放高共模抑制比放大电路n整个电路的输出：n整个电路的共模抑制比为：n提高N3共模抑制比，谨慎选择外接电阻，保证R3=R4，R5=R6，精度小于0.1%013535026460)1 (uRRRRuRRRu3123123CMRRKCMRRCMRRKCMRRCMRRKCMRRddd高共模抑制比放大电路（三）有源屏蔽驱动电路积分电路不平衡而产生的差模信号大小为：共模抑制比幅值为：差 动放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2icssduCRCRju)(221111221CRCRCMRRSS有源屏蔽驱动电路n输入保护技术（共模电压自举方法）+-+N1ui2R1RP

15、R2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N3高共模抑制比放大电路 什么是有源屏蔽驱动电路？什么是有源屏蔽驱动电路？ 将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器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例差动放大后，使其输入端的共模电构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压压1 1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）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，

16、这种电路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。就是有源屏蔽驱动电路。应用于何种场合应用于何种场合? 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。传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。 高共模抑制比放大电路（四）浮动电源共模自举式放大电路N1,N2的偏置电压跟踪共模输入电压，则N1,N2上基本没有共模电压，大大提高共模抑制比u2R0uoRPN3R0u1ucA+E-Eui1ui2+-+N1-+N2+-+N4+-+N5-+uAAicicCCAuuCMRRuuCMRRuu11133第二

17、章 信号放大电路 五、电桥放大电路五、电桥放大电路何谓电桥放大电路？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。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？应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电阻应变式、电感式、应用于电参量式传感器，如电阻应变式、电感式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压电容式传感器等，经常通过电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

18、电路，输出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。放大了的电压信号。 电桥放大电路（一）单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+NuZZZZZZZZRRuuZZZZZZRRRuuuZZZZZZuabab)()1 ()()(423141321203134242110313424若若Z3为应变片，为应变片，Z1=Z2=Z30=Z4=R，工作时工作时Z3=R(1+)42/1)1 (120uRRua) 反相输入（采用电源浮置技术）（采用电源浮置技术）电桥放大电路b) 同相输入电桥浮置， RDS时时Rx为等效电阻，为等效电阻，故有两种切换档位故有两种切换档位ixu

19、RRRRu)/1 (1230增益调整与切换电路*可编程增益放大电路可编程增益放大电路PGA(Programmable Gain Amplifier)n 何谓程控增益放大电路？何谓程控增益放大电路？ 程控增益放大电路（PGA）指可以通过数字逻辑电路由确定的程序来控制的放大电路。nPGA主要应用于那些场合主要应用于那些场合？ 可实现可编程增益调节，与DAC组成可编程低通滤波器，也可与ADC组合实现量程自动切换电路。nPGA有哪些类型？有哪些类型？ 按放大器有单运放、多运放、测量放大器可编程单运放、多运放、测量放大器可编程增益放大电路、单片集成可编程增益放大电路增益放大电路、单片集成可编程增益放大电

20、路等。 按输出信号有模拟式和数字式模拟式和数字式两类。增益调整与切换电路*通用运放可编程增益放大电路通用运放可编程增益放大电路n 多路模拟开关多路模拟开关+增益放大电路增益放大电路1、单运放式单运放式增益调整与切换电路*通用运放可编程增益放大电路通用运放可编程增益放大电路2、多运放并联式多运放并联式增益调整与切换电路*通用运放可编程增益放大电路通用运放可编程增益放大电路3、多运放串联式多运放串联式增益调整与切换电路*数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路 模拟开关控制运放的输入/反馈电阻。 1、改变并联输入改变并联输入 电阻型电阻型)248(120DCBARRuKuif增益调整与切换

21、电路*数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路1、改变反馈电阻型改变反馈电阻型增益调整与切换电路*数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路2、任意正整数增益任意正整数增益Ra为闭合开关右右的电阻的总阻值Rb为闭合开关左左的电阻的总阻值bafRRK1增益调整与切换电路*集成可编程集成可编程增益放大器增益放大器n将运放、电阻网络、模拟开关和译码器等电路集成在一起就可以制成单片集成可编程增益放大器。LH0084第二章 信号放大电路 六、隔离放大电路六、隔离放大电路1、什么是隔离放大电路？、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隔离放大电路的输入、输出和电源

22、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。接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。2、应用于何种场合？、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抑制能力传送信号。 隔离放大电路（一）基本原理基本原理1、组成及符号、组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器udu

23、cuisoIMRRuuCMRRuuKuisodcdd)1 (110隔离放大电路2、原理框图、原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV隔离放大电路（二）通用隔离放大电路通用隔离放大电路1、AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N2隔离放大电路 235L电源904510增益微调用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路10k10k1k电源 15V15V1001