第2章 信号放大电路

1、第第2章章 信号放大电路信号放大电路 2.1 运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路 2.3 隔离放大电路隔离放大电路 2.4 噪声的基础知识噪声的基础知识(自学自学) 作用：作用：放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。 2.1 运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿2.1.1 实际运算放大器及其特性实际运算放大器及其特性(表表2-1)2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿 2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿2.1.2.1 输入失调电压：输入失调电压：零点漂移：零点漂移： 随时间或温度的变化而引起。随时间或温度的变化而

2、引起。 引起的输出失调电压为：引起的输出失调电压为： 输入电压为零时的输出，由于前置放大级不对称造成。输入电压为零时的输出，由于前置放大级不对称造成。0sU0sU 0sUo1210s(1/)uRR U 0sb2b1III 0sIuI RRR I RIIRI Ro2b1221b23b2b120s2(1/)() 312/ /RRR 2.1.2.2 输入失调电流：输入失调电流： 引起的输出失调电压为：引起的输出失调电压为： ，RR12 2.1.2.3 输入失调电压和输入失调电流的测量输入失调电压和输入失调电流的测量 1. 闭合时，输出电压为闭合时，输出电压为 S1U10s211/UURR 2. 打开

3、时，输出电压为打开时，输出电压为 210s321(1/)UUIRRR S2U 2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿2.1.2.4 输入失调电压和输入失调电流的调整输入失调电压和输入失调电流的调整au1外部调整法外部调整法（1）把调整电压）把调整电压 (mV)加加 在运放的反相输入端在运放的反相输入端12a412/ / /RRuURRR 4121000/ /RRR 2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿PaRUu 调调 零点调整。零点调整。 2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿au（2）把调整电压）把调整电压 (mV)加在运放的同相输入端加在运放的同相输入端5a45RuURR 451000RR P

4、aRUu 调调 零点调整。零点调整。 2内部调整法内部调整法 通过运放的调整端子，调通过运放的调整端子，调 零点调整零点调整(图图2-4)。 PR 2.1.3 转换速率和最大不失真频率转换速率和最大不失真频率fmax SR 1转换速率：转换速率：uSRt （表示输出电压跟随输入电压的能力）（表示输出电压跟随输入电压的能力） 运算放大器输入为正弦波，而输出呈三角波时的斜率。运算放大器输入为正弦波，而输出呈三角波时的斜率。2最大不失真频率：最大不失真频率：若输出信号为若输出信号为 ，则最大速率为：，则最大速率为：msinuUt maxmmmax/2SRdu dtUfU maxm2SRfU Ufmm

5、ax() 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿运算放大器的振荡与相位补偿 在负反馈放大器中，若输出与输入相位移相在负反馈放大器中，若输出与输入相位移相 ，则，则负反馈负反馈正反馈，从而产生自激振荡，故外加正反馈，从而产生自激振荡，故外加RC补偿网络。补偿网络。180 1加相位滞后加相位滞后RC网络网络p12fRC (0 90 ) 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿运算放大器的振荡与相位补偿2加相位超前加相位超前RC网络网络p12fRC 0 90 3常用的相位补偿电路常用的相位补偿电路 补偿补偿 或电容性负载或电容性负载 与运放输出电阻与运放输出电阻 引起的振荡。引起的振荡。C2R C1i

6、LCR0RCCR12i2 作用：作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。 类型：类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大 电路，压电式传感器采用电荷放大电路。电路，压电式传感器采用电荷放大电路。 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路 几个重要术语：几个重要术语：开环增益开环增益K：集成运放在开路状态下的差模增益；：集成运放在开路状态下的差模增益；闭环增益闭环增益Kf：集成运放在闭环状态下的差模增益；：集成运放在闭环状态下的差模增益；差模信号：集成运放两输入端同时输入极性相反的信号；差模信号：集成运放

7、两输入端同时输入极性相反的信号；共模信号：集成运放两输入端同时输入极性相同的信号；共模信号：集成运放两输入端同时输入极性相同的信号；差模增益差模增益Kd：差模信号输入时的增益；：差模信号输入时的增益；共模增益共模增益Kc：共模信号输入时的增益；：共模信号输入时的增益；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。 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.1 测量放大电路的基本要求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；输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 稳定的放大倍数；稳定的放大倍数； 低噪声；低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流以

8、及低的漂移；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；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比；高共模输入范围和高共模抑制比； 可调的闭环增益；可调的闭环增益； 线性好、精度高；线性好、精度高； 成本低。成本低。 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.2 反相放大电路反相放大电路2f1RKR 312/ /RRR 特点：性能稳定，输入阻抗低。特点：性能稳定，输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。1基本形式基本形式uoR3uiR1R2N- -+ + + 2.2.2 反相放大电路反相放大电路24f1

9、5(1)RRKRR 52oio145RRuuuRRR 2变形的反相放大电路：提高输入阻抗和增益变形的反相放大电路：提高输入阻抗和增益uoR3uiR1R2R5R4ou N- -+ + +24oi15(1)RRuuRR 增益提高了增益提高了RRR245, 要求：要求： 2.2.2 反相放大电路反相放大电路fR CL1112 RKR2f1 3交流反相放大电路交流反相放大电路C2相位补偿，防止振荡。相位补偿，防止振荡。uoR3uiR1R2C1C2N- -+ + +R1C1高通滤波器，决高通滤波器，决 定下限截止频率。定下限截止频率。R1R2C2低通滤波器，决低通滤波器，决 定上限截止频率。定上限截止频

10、率。fR CH2212 特点：输入阻抗高，易受干扰。特点：输入阻抗高，易受干扰。2f11RKR312/ /RRR ii3fKZZRK 1基本形式基本形式 2.2.3 同相放大电路同相放大电路 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路R2uoR3uiR1N- -+ + + 2.2.3 同相放大电路同相放大电路3f41RKR 2交流同相放大电路交流同相放大电路1234,RRRR 要求：要求：C1R1高通滤波器。高通滤波器。3跟随放大电路跟随放大电路f1K 特点：输入阻抗很高。特点：输入阻抗很高。uoR2R3uiR1R4C1N- -+ + +R2uouiR1N- -+ + +2.2.4 差动放大电路

11、差动放大电路 差动放大电路：差动放大电路：把两个输入信号分别输入到运算放大的把两个输入信号分别输入到运算放大的同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，同相和反相输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，抑制两个信号的共模成分。抑制两个信号的共模成分。 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路uid= ui2ui1 , uic=(ui1+ ui2)/2取取 R1=R3，R2=R4，则，则特点：只有差模信号，特点：只有差模信号，CMRR高，但高，但Zi较低，增益调节困难。较低，增益调节困难。224oi1i21134(1)RRRuuuRRRR RuuuR2oi2i11-) （R3uo

12、R4ui2R1R2ui1+ +- -+ +N 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路 作用：作用：用来抑制传感器输出的共模电压用来抑制传感器输出的共模电压 (干扰电压干扰电压) ， 提高共模抑制比提高共模抑制比 。 应用场合：应用场合：要求共模抑制比大于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体的场合，例如人体 心电测量，信号很微弱，而干扰很大。心电测量，信号很微弱，而干扰很大。 方法方法：（1）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；）采用多个集成运放串联组成的测量放大电路； （2）采用差动放大电路，使）采用差动放大电路，使ui1和和u

13、i2的共模电压抵的共模电压抵 消，但要求外接电阻完全平衡对称。消，但要求外接电阻完全平衡对称。2.2.5.1 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反相串联型反相串联型 2.2.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路取取 R1=R5，R2=R466oo1i245RRuuuRR 626i1i2415R RRuuR RRRuuuR6oi2i15() 只有差模信号，但输入阻抗低。只有差模信号，但输入阻抗低。ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo+ +- -+ +N2+ +- -+ +N1uo1 2.2.5.1 双运放高共模抑制比放大电路双运放高共

14、模抑制比放大电路2同相串联型同相串联型2o1i11(1)RuuR 44oi2o133(1)RRuuuRR 424i2i1313(1)(1)RRRuuRRR取取 R1=R4，R2=R34oi2i13(1)()RuuuR只有差模信号，输入阻抗很高。只有差模信号，输入阻抗很高。uoui2ui1R4R3uo1R2R1+ +- -+ +N1+ +- -+ +N2 2.2.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路* * 2.2.5.2 三运放高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路N1N2：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。：性能一致，平衡对称，构成差动放大输入级。N3：双端输入单端输出的

15、输出级，进一步抑制：双端输入单端输出的输出级，进一步抑制N1N2 共模信号。共模信号。R4uo1ui1ui2uo2R1R0R2R7RPR8R3R6uoR5+ +- -+ +N1IR- -+ + +N2- -+ + +N3ui1ui2uo211o1i1i200(1)RRuuuRR22o2i2i100(1)RRuuuRR 12o2o1i2i1d1i2i10(1)()()RRuuuuKuuR 55565oo2o1o2o1333463(1)(1)RRRRRuuuuuRRRRRR 取取 R3=R4，R5=R6，RuuuKuuR5oo2o1d2o2o13()() 差模增益：差模增益：512dd1d203(

16、1)RRRKKKRR 通常取：通常取：R1=R2，R3=R4，R5=R6 外接电阻平衡对称。外接电阻平衡对称。 2.2.5.2 三运放高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路INA114内部结构内部结构 2.2.5.2 三运放高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路KRd0150k INA114集成运放与测量电桥的连接：集成运放与测量电桥的连接： 2.2.5.2 三运放高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路uoR0350INA1143503503500.1F1832760.1F54+5V-5Vu+ + +- -KRd0150k 什么是有源屏蔽驱动电路？什么是有源屏蔽驱动电路

17、？ 将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成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压的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1 1地地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器输出，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，的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模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。间的共模电压为零，这种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?

18、 经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传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。感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。2.2.5.3 有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路1屏蔽电缆等效电路屏蔽电缆等效电路2.2.5.3 有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路Rs1Rs2传感器内阻；传感器内阻；C1C2电缆输入芯线电缆输入芯线与屏蔽层之间的电容。与屏蔽层之间的电容。共模输入信号共模输入信号uic在在Rs1和和Rs2上产生的压降分别为：上产生的压降分别为：s1R1ics11 ics111/Ruuj R C uRj C s2R2ics22 ics221/

19、Ruuj R C uRj C uicRS1C1uR1auicRS2差差 动动放大器放大器uoabui1ui2RS1C1C2电缆屏蔽层接地电缆屏蔽层接地a和和b两端的共模信号分别为：两端的共模信号分别为：aicR1s11ic(1)uuuj R Cu bicR2s22ic(1)uuuj R Cu ababs22s11ic()uuujR CR C u uic对差动运放产生的差模输入信号。对差动运放产生的差模输入信号。dodciccocdabs22s11/1/KuuuuCRMMKuuuuR CR C 由于由于Rs1C1 Rs2C2，共模抑制比下降。共模抑制比下降。 2.2.5.3 有源屏蔽驱动电路有源

20、屏蔽驱动电路uicRS1C1uR1a2屏蔽电缆驱动电路屏蔽电缆驱动电路N1N2构成同相比例差动放大器，输入端的共模电压构成同相比例差动放大器，输入端的共模电压1:1输出。输出。由于电路对称由于电路对称uc=uic，即两输入电缆的屏蔽层由，即两输入电缆的屏蔽层由uic驱动，而驱动，而不是接地，相当于屏蔽电缆等效电路中不是接地，相当于屏蔽电缆等效电路中C1C2公共端接公共端接uic。 2.2.5.3 有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路+ +- -+ +N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4- -+ + +N2- -+ + +N3电缆屏蔽层不接地，由共模电压驱动电缆屏蔽层不接地，

21、由共模电压驱动 方法方法：（1）自动调零放大电路；自动调零放大电路； （2）低漂移单片集成运算放大器；）低漂移单片集成运算放大器； （3）由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大）由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大 电路。电路。 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.6 低漂移放大电路低漂移放大电路 作用作用：减小输入失调电压减小输入失调电压U0s和低频干扰引起的零点漂移和低频干扰引起的零点漂移Uc 2.2.6 低漂移放大电路低漂移放大电路* * 2.2.6.1 自动调零放大电路自动调零放大电路由一块四运放由一块四运放和一块四位模和一块四位模拟开关组成。拟开关组成。N1：主运放：主

22、运放N2：误差保持电路：误差保持电路N3：驱动开关：驱动开关Sa1、Sa2N4：驱动开关：驱动开关Sb1、Sb2- -+ + +N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1- -+ + +N1K2- -+ + +N2UiSb1R1- -+ + +N41误差保持误差保持 当当N3输出高电平，输出高电平，N4输出低电平时，输出低电平时，Sa1Sa2闭合，闭合， Sb1Sb2断开，电路处于自动调零状态，其误差保持电路如下：断开，电路处于自动调零状态，其误差保持电路如下：UK UUo110s1C1() UKUUC12o10s2() UUUKUC10s10s210s1/ 121K K 11K ， U0s1寄存

23、在寄存在C1上，误差保持。上，误差保持。 2.2.6.1 自动调零放大电路自动调零放大电路K2C1UC1Uo1R1R2K1- -+ + +N1- -+ + +N2U0s1U0s2UK KK K UK UC112120s120s2(1) 2调零放大调零放大 当当N3输出低电平，输出低电平，N4输出高电平时，输出高电平时，Sa1Sa2断开，断开， Sb1Sb2闭合，电路进入放大状态，其调零放大电路如下：闭合，电路进入放大状态，其调零放大电路如下：RUUK UK UR2oi10s11C11 实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的，也实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的，也起到了放大作用

24、。输出稳定，起到了放大作用。输出稳定，U0s和和Uc降低，电路成本低。降低，电路成本低。2oi1RUUR 2.2.6.1 自动调零放大电路自动调零放大电路UoC1UiR1R2K1- -+ + +N1U0s12.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器 2.2.6 低漂移放大电路低漂移放大电路1轮换自动校零集成运算放大器轮换自动校零集成运算放大器(CAZ运算放大器运算放大器)a) N1调零放大，调零放大，N2误差保持误差保持输出输出C1GR输入输入 -+N1-+N2R+输入输入 C2b) N1误差保持，误差保持，N2调零放大调零放大C1G输入输入 C2+输入输入 输出输出 R-+N1

25、-+N2R N1N2性能一致，通过模拟开关使性能一致，通过模拟开关使N1N2交替地工作在调交替地工作在调零放大和误差保持两种不同的状态。零放大和误差保持两种不同的状态。 G为自动校零输入端，必须接到系统的零线，使放大为自动校零输入端，必须接到系统的零线，使放大器在自动校零时无信号输入。器在自动校零时无信号输入。 C1C2为外接电容，在校零状态时寄存放大器的为外接电容，在校零状态时寄存放大器的U0s和低和低频瞬时干扰电压频瞬时干扰电压Uc。当转换成放大状态时，电容上寄存的。当转换成放大状态时，电容上寄存的电压正好抵消了放大器的电压正好抵消了放大器的U0s和和Uc，达到自动校零的目的，达到自动校零

26、的目的，且放大了输入信号。且放大了输入信号。 特点：输出稳定，性能好，但对共模电压无抑制作用。特点：输出稳定，性能好，但对共模电压无抑制作用。问题：问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别？适用场合？该电路与自动调零放大电路的主要区别？适用场合？ 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器2斩波稳零集成运算放大器斩波稳零集成运算放大器N1：主通道，放大高频部分；：主通道，放大高频部分；N2：辅助通道，放大低频和直流部分，调制型放大器：辅助通道，放大低频和直流部分，调制型放大器U0s2=0。UiS1S2C1UoUa-+N1+

27、-+N2+U0s1R1R2C2C3C4C5R3R4R5R6U1U2U3U4U-U+ 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器ao115()UU R / RR o10s151()(/)(1)UK UUUKR /R 0s1UU UiS1S2C1UoUa-+N1+-+N2+U0s1R1R2C2C3C4C5R3R4R5R6U1U2U3U4U-U+aUKU U0s1的影响缩小至的影响缩小至1/K (K为调制解调和为调制解调和N2的总放大倍数的总放大倍数)。斩波稳零集成运算放大器斩波稳零集成运算放大器(ICL7650)内部调制内部调制补偿电路补偿电路箝位电路箝位电路外时钟输入外时钟输入GS

28、aSb时钟输出时钟输出N1：主运放：主运放N2：调零放大器：调零放大器A1A2：N1N2侧向输入端侧向输入端C1C2：外接电容，寄存：外接电容，寄存U0s和和Uc 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2（1）误差检测和寄存阶段）误差检测和寄存阶段 时钟为高电平时，时钟为高电平时，Sa1Sa2闭合，闭合， Sb1Sb2断开，断开，N2两输入两输入 端被短接，只有输入失调电压端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号和共模信号Uc作用，其输作用，其输 出由电容出由电容C2寄存，并反馈

29、到寄存，并反馈到 N2的侧向输入端的侧向输入端A2，此时此时UUK UK UK UC2o220s2c2c2o2 o220s2c2c21()UK UK UK 误差项，寄存在误差项，寄存在C2上。上。 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器UiC1C2A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器（2）校零和放大阶段）校零和放大阶段 时钟为低电平时，时钟为低电平时， Sa1Sa2断开，断开， Sb1Sb2闭合，输入信号闭合，输入信号 Ui同时作用到同时作用到N1、N2的输入端的输入端，此时此时 UKU +UK

30、 UK Uo22i0s2c2c2C2() o22iUK U C2上寄存的电压与上寄存的电压与N2的的U0s2、 Uc抵消，达到稳零目的。抵消，达到稳零目的。UK UUK UK Uo11i0s1c1c1o2() UiC1C2A1A2Uo1Uo2+-+N1+-+N2+-U0s1U0s2UC2 2.2.6.2 低漂移集成运算放大器低漂移集成运算放大器 ICL7650特点：具有失调电压影响小，共模抑制比高，特点：具有失调电压影响小，共模抑制比高，增益高、输入阻抗高等优点，但价格高。增益高、输入阻抗高等优点，但价格高。UK K UK UK UK KUUUo112i10s1c1c12i0sc) （1121

31、KKK ，KK KK K11212 UUK0s10s2 N1的输入失调电压的输入失调电压U0s1缩小至缩小至1/K2。K UUUUK KK CMRRCMRRc1cccc1221 共模抑制比提高共模抑制比提高K2倍。倍。UKK KUK U+K Uo1112i10s1c1c() 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.7 高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路 作用作用：提高反相提高反相(或差动或差动)运算放大器的输入阻抗，与电运算放大器的输入阻抗，与电 容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。容式、压电式传感器的高输出阻抗相匹配。 方法：方法：（1）在放大电路输入端加接电压跟随器，但会）在放

32、大电路输入端加接电压跟随器，但会 引入共模误差；引入共模误差； （2）采用高输入阻抗的集成运算放大器；）采用高输入阻抗的集成运算放大器； （3）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。）采用通用集成运算放大器组成的自举电路。 2.2.7 高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路610 M 2.2.7.1 高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器（1）输入级采用）输入级采用N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管(MOS-FET)， 如：如：CA3140、CA3260等，输入阻抗高达等，输入阻抗高达 ；（2）输入级采用结型场效应管）输入级采用结型场效应管(JFET)，如：，如：LF3

33、56、LF412、 LM310、LF444等，输入阻抗为等，输入阻抗为 ；（3）输入级采用）输入级采用N沟道和沟道和P沟道两管互补型场效应管沟道两管互补型场效应管(CMOS- FET)，如：，如：ICL7613、ICL7641B/C，输入阻抗，输入阻抗 。61.5 10 M610 M 2.2.7.1 高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器 使用时安装在印刷电路板上，会有漏电流流入形成干扰。使用时安装在印刷电路板上，会有漏电流流入形成干扰。故在运放的高阻抗输入端加屏蔽层，并接到低阻抗处。这样，故在运放的高阻抗输入端加屏蔽层，并接到低阻抗处。这样，屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，可防止漏

34、电流的流入。屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，可防止漏电流的流入。RuuR2oi1(1)RuuR2oi1 uiuo+-+Nuuoi a)电压跟随器电压跟随器b)同相放大器同相放大器c)反相放大器反相放大器+-+NuouiR1R2R3=R1/R2uo+-+NuiR1R22.2.7.2 自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 2.2.7 高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路 何谓自举电路何谓自举电路? 自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，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。减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路

35、。 是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？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。如量放大电路中。如电容式、压电式传感器电容式、压电式传感器的测量放大电路。的测量放大电路。2.2.7.2 自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路b)交流电压跟随电路交流电压跟随电路+-+NuiR1R2C1R3C2uoa)同相交流放大电路同相交流放大电路uiuo+-+NR1R2R3C1C2 利用利用C2将运放两输入端之间的交流电压作用在将运放两输入端之间的交流电压作用在R1两端。两

36、端。理想情况下两输入端电位近似相等理想情况下两输入端电位近似相等(虚短虚短)，无电流流过，无电流流过R1 ，故对交流而言故对交流而言 。R1 要求：要求：R3=R1+R2 减小输入失调电压和输入偏置电流。减小输入失调电压和输入偏置电流。2.2.7.2 自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路RuuR3o1i1 RuuuR1o2o1i322 uuuRRiuRRR Ro2i21i1212 i输入电阻为：输入电阻为：uR RRiRRi12i21 当当R2=R1时，时，Ri，i1 = i2 ，即即N1的输入电流全部由的输入电流全部由N2提提供，输入回路无电流。供，输入回路无电流。uo1uii1

37、i2R1iuo22R1R3R2- -+ + +N1- -+ + +R3N2c)自举组合电路自举组合电路 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路 作用：作用：将压电或电容传感器输出的电荷信号放大为电压将压电或电容传感器输出的电荷信号放大为电压 信号，并进行阻抗变换。信号，并进行阻抗变换。 电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，与反馈电电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，与反馈电容成反比，而与电路其他参数无关。容成反比，而与电路其他参数无关。2.2.8.1 基本原理基本原理1. 理想情况理想情况QuuCoc 传感器输出电荷对反馈电容充电，即传感器输出电荷对反

38、馈电容充电，即Quo+- -+NC2. 实际等效电路实际等效电路R 电容电容C的放电回路，减小零漂、稳定工作点。的放电回路，减小零漂、稳定工作点。 2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路CK C(1) 把把R和和C等效到等效到N的输入端：的输入端： ，RRK1 j KQj QRuKuj RCjCCCCRRRoiscisi1111() uo+- -+NCRQCsRsCcCiRiiui 2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路2.2.8.2 电荷放大电路的特性电荷放大电路的特性1. 开环电压增益开环电压增益K的影响的影响当当Ci可忽略，且频率较高可忽略，且频率较高 ，K为有限值时：为有限值时：j CR(

39、1/) KQuCCK Cosc(1) QuCo() uuCCCuCCK Cooscosc100%100%(1) 相对误差：相对误差： 相对误差相对误差 与开环电压增益与开环电压增益K成反比。成反比。 2. 频率特性频率特性2.2.8.2 电荷放大电路的特性电荷放大电路的特性 当当 时，时， 。因此电荷放大器增益下降。因此电荷放大器增益下降3dB时，对应的下限截止频率为：时，对应的下限截止频率为： fRCL12 uQ Co/ 高频响应很好，低频响应差。且当电缆较长时，电缆高频响应很好，低频响应差。且当电缆较长时，电缆分布电容对相对误差和上限频率有关，故选低电容电缆。分布电容对相对误差和上限频率有

40、关，故选低电容电缆。3. 噪声与漂移噪声与漂移噪声：增大噪声：增大Cc、减小、减小C时，时，输出电压噪声增大输出电压噪声增大。零漂：增大零漂：增大R、减小电缆绝缘电阻、减小电缆绝缘电阻Rc和和Ri时，漂移增大。时，漂移增大。综合考虑：综合考虑： ，R10M C4100 10 pF 2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路90k 2.2.8.3 电荷放大电路实例电荷放大电路实例+- -+N2uo+- -+N1CRQ+15VR12VD14558VD2-15V3A74161 8 74RPu1R2S2S1aS1b20k 实例实例123674 2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路30k 150k 890k

41、2.2.8.3 电荷放大电路实例电荷放大电路实例+- -+N2uo+- -+N12000pFAD544L实例实例2QCsCcRCRP1RP2100k 130k R1PV-9647F100k A766-E81 5R1 限流电阻；限流电阻；RP1 调整增益；调整增益；RP2 调节失调；调节失调；N2 电压放大。电压放大。N1 电荷电荷/电压转换；电压转换；236 2.2.8 电荷放大电路电荷放大电路j Q RUj R Cmf 11f 1f 11 RRRUUURRRRf3f4f4o12334f31 2.2.8.3 电荷放大电路实例电荷放大电路实例+- -+N3Uo+- -+N1实例实例3Rf1Cf1

42、RmQmCm+- -+N2Rf2RrQrCrCf2UU1U2R3R4Rf3Rf4j Q RUj R Crf 22f 2f 21 rf1f 3mf1f 4f 4f1f133f 2f 24f 31(1)(1)()j Q R Rj Q R RR+j R CRRj R CRR IIIIURRKIIIURRLi22A21iiiiA12/111/ IIILi22.2.9 电流放大电路电流放大电路 作用：作用：将光电式传感器输出的微弱电流信号进行放大。将光电式传感器输出的微弱电流信号进行放大。2.2.9.1 基本原理基本原理IiUiUo+- -+NIiILR1R2RLI2UAUI RI RAi122 2.2

43、 典型测量放大电路典型测量放大电路 2.2.9 电流放大电路电流放大电路UI Rii RUUR41P3(1) RRUUURR222Pi11(1) 2.2.9.2 电流放大电路实例电流放大电路实例UUUUIRR12iPo51R RRRRRUUR R RRR143252iP13551()1 UPU1+- -+N2IiIoR1R2RLUiU2+- -+N1R3R4R5RRUIRR2io511IRRKIRRo2ii511 2.2.9.2 电流放大电路实例电流放大电路实例RRIRR2i511 取取UPU1+- -+N2IiIoR1R2RLUiU2+- -+N1R3R4R5RR RRRR14325() 2

44、.2.9 电流放大电路电流放大电路 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路2.2.10 电桥放大电路电桥放大电路 作用：作用：将电阻、电容、电感传感器通过电桥后输出的电将电阻、电容、电感传感器通过电桥后输出的电 压或电流信号作进一步放大。压或电流信号作进一步放大。 组成：组成：由传感器电桥和运算放大器组成，或由传感器和由传感器电桥和运算放大器组成，或由传感器和 运算放大器直接构成电桥放大电路。运算放大器直接构成电桥放大电路。 应用场合：应用场合：应用于电参量式传感器，如电阻应变式、电应用于电参量式传感器，如电阻应变式、电 容式传感器、电感式传感器等。容式传感器、电感式传感器等。 2.2.10

45、 电桥放大电路电桥放大电路2.2.10.1 单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路1反相输入型反相输入型34ab2413()ZZuuZZZZ a0u (虚地虚地)1boab12RuuuRR (虚断虚断)231422o113241(1)(1)()()4 1/ 2Z ZZ ZRRuuuRZZZZR 特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。特点：增益与桥臂电阻无关，增益稳定，单臂电桥非线性。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou+ +- -+ +- -+ +N2同相输入型同相输入型a1()22RuuRR RuuRR2(2)4 1/ 2 22oa11(1)(1)4 1/ 2RRuuuRR 特

46、点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。特点：输出与反相输入型符号相反，特点相同，输入阻抗高。 2.2.10.1 单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路R+RR2R1uo+ +- -aRRRu+ +- -+ +N2.2.10.2 差动输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路 2.2.10 电桥放大电路电桥放大电路12RRRao1122RuuuRR b(1)/ (2)uu 特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。特点：增益与桥臂电阻有关，增益不稳定，且非线性。R2=R1R1uR (1+)uaubRRRuo+ +- -+ +NRuuR1o2(1)4 1/ 2 (ua=ub) 2.

47、2.10 电桥放大电路电桥放大电路* * 2.2.10.3 线性电桥放大电路线性电桥放大电路12ao1212RRuuuRRRR b313/ ()uuRRR 32o131RRRuuuRRRR 32,(1)RR RR 特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。特点：传感器接在反馈回路，线性好，量程大，但灵敏度低。uoR3R2 = R(1+)R1uuaR1ub+ +- -+ +N 2.2.10 电桥放大电路电桥放大电路100k2.2.10.4 电桥放大电路实例电桥放大电路实例uo350INA102350350350171412119+15V-15Vu15+ +- -4561610u1u2

48、o211000()uuu 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路uu12 2.2.11 增益调整放大电路增益调整放大电路 作用：作用：由输入信号的大小，调整闭环增益，使输出信号由输入信号的大小，调整闭环增益，使输出信号 固定在一定范围。固定在一定范围。iiii1234 2.2.11.1 手动增益调整放大电路手动增益调整放大电路uo+- -+NR1u1u2ui1ui2R2R2R2R2R1i1i2i3i4u3u4R2.2.11.1 手动增益调整放大电路手动增益调整放大电路uuuuuuuuRRRR13343oi11122 uuuuuuuRRRR43i22244122 uu12 RRuuuRR22o

49、i2i112(1)() RRKRR22f12(1) uo+- -+NR1u1u2ui1ui2R2R2R2R2R1i1i2i3i4u3u4R2.2.11 增益调整放大电路增益调整放大电路2.2.11.2 自动增益调整放大电路自动增益调整放大电路1. 改变反馈电阻改变反馈电阻RuuR2i1 uuuuuRRRRoi12x4 iiii1234 VN沟道结型场效应管，高电沟道结型场效应管，高电 平平(0)导通，低电平导通，低电平(负负)夹断。夹断。RrRx3uo+- -+NR1uiR2R3i1i2i3i4ur控制信号控制信号R4V42422424xoiiii1x111/RR RRRRR RRuuuuuR

50、R RRR 当当ui较小时，控制较小时，控制信号为高电平信号为高电平(0)，V导导通，通，r 很小，很小，Kf=max； 当当ui较大时较大时(超过某界限超过某界限)，控制信号为低电平控制信号为低电平(负负)， V夹夹断，断，r 很大，很大，Kf=min。2.2.11.2 自动增益调整放大电路自动增益调整放大电路uo+- -+NR1uiR2R3i1i2i3i4ur控制信号控制信号R4VRRR RRKR2424xf1/ 2. 改变输入电阻改变输入电阻2.2.11.2 自动增益调整放大电路自动增益调整放大电路RuuRrR3oi21(1)/ / 当当ui较小时，控制信较小时，控制信号为低电平号为低电

51、平(0)，V1和和V2都导通，都导通，r 很小，很小，Kf=max； 当当ui超过某界限时，超过某界限时，控制信号为高电平控制信号为高电平(正正)， V1截止，截止，V2夹断，夹断，r 很很大，大，Kf=min；uo+- -+N+9V控制控制信号信号uiR2R3V2R1-6VV1rRKRrR3f211/ / 2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)2.2.11 增益调整放大电路增益调整放大电路* * 1. 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多路模拟开关：采用多路模拟开关：采用P沟道结型场效应管沟道结型场效应管(JFET)阵列，高阵列，高 电平电平(正正

52、)夹断，低电平夹断，低电平(0)导通。导通。二极管：提高开关断开时的抗干扰能力。即开关断开时，二极管：提高开关断开时的抗干扰能力。即开关断开时， Ui使使Uo高于栅极电位，二极管正向偏置，则开关高于栅极电位，二极管正向偏置，则开关 的源极被箝位到的源极被箝位到0.6V左右，确保开关断开。左右，确保开关断开。运放：运放： (单运放单运放)， LM353(三运放三运放) ，LM324(四运放四运放)A741Uo+- -+NUiR1R21M 110M 1M 20.4k 10.1k 10k ABCD（1）单运放式）单运放式2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)开关的通断改开关

53、的通断改变了运放的并变了运放的并联反馈电阻联反馈电阻Rx (24种增益种增益)RRKR2xf1/ / KfA B C D-100 -50 -10 -2 -1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 Rx1M 110M 20.4k 10.1k 2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)KfABC0 1 1 1 1 0 1 1 0 RR211/ （2）多运放并联式）多运放并联式RR431/ RR651/ 开关的通断，取决于开关的通断，取决于从哪个运放取输出。从哪个运放取输出。放大单元多，成本高，放大单元多，成本高，较少采用。较少采用。U

54、o+- -+N1R2AR1+- -+N2R4BR3+- -+N3R6CR5Ui2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)（3）多运放串联式）多运放串联式开关的通断，取决于放大单元的个数开关的通断，取决于放大单元的个数(AD521、AD522等等)。放大单元多，成本高，但可提高增益。放大单元多，成本高，但可提高增益。RKRffi1UoUiCBA+- -+N2R4R3+- -+N1R2R1+- -+N3R6R5DKfA B C D1 Kf1 Kf1Kf2 Kf1Kf2Kf3 0 1 1 1 1 1 0 11 0 1 11 1 0 1Uo+- -+NR1R210k 20k 40

55、k 80k ABCD2. 数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)Kf-15 -14-13 -12 -11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 RKABCDR2f1(842) UiAB CD80k 开关的通断改开关的通断改变了运放的反变了运放的反相输入端电阻相输入端电阻(24种增益种增益)（1）改变输入电阻）改变输入电阻2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA)开关的通断，同时改变开关的通断，同时改变了输入电阻和反馈电阻。了输入电阻和反馈电阻。RKABCDR

56、ffi1248 Kf1 24 8 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 AB CDUiUoCBARR+- -+ND2R4R（2）改变输入电阻和反馈电阻）改变输入电阻和反馈电阻2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路(PGA) 开关的通断，同时改变了输入电阻和反馈电阻。开关的通断，同时改变了输入电阻和反馈电阻。N个个电阻可得到电阻可得到1N正整数的正整数的N种增益。种增益。RRKRRaffib11UoR1+- -+NRN-1RNUiR2N 路路 模模 拟拟 开开 关关NN-1321（3）任意正整数增益）任意正整数增益2.2.11.3 可编程增益放大电路可编

57、程增益放大电路(PGA)UoR1+- -+NRN-1RNUiR2N 路路 模模 拟拟 开开 关关NN-1321开关开关1闭合，闭合，Kf=1，Ra=0，Rb=R1+R2+ +RN，跟随器，跟随器开关开关2闭合，闭合，Kf=2，Ra=RN，Rb=R1+R2+ +RN-1，Ra=Rb开关开关3闭合，闭合，Kf=3，Ra=RN+RN-1，Rb=R1+R2+ +RN-2，Ra=2Rb开关开关N闭合，闭合，Kf=N，Ra=RN+RN-1+ +R2，Rb=R1，Ra=(N-1)RbRKRafb1* * 3. 集成可编程集成可编程 增益放大电路增益放大电路2.2.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电

58、路(PGA)UoSa1+- -+N3Ui1+- -+N1+- -+N2译译码码器器和和开开关关驱驱动动电电路路Ui2数字地数字地151614D1D0Sa2Sa4Sb1Sb2Sb3Sb410k 10k 10k 60k 6k 6k 2k 4k 2k 10k 10k 10k 60k 30k 30k 8761011121393Sa3Sa3Kf11 25 10 0 0 01 0 1 1 1 D1D0闭合开关闭合开关Sa1Sb1Sa2Sb2Sb3Sa4Sb4RRKRf3f3f2810k =1，4，10RRKRf1f2f101 R8 2.3 隔离放大电路隔离放大电路 作用：作用：将输入、输出和电源电路进行隔

59、离，使他们之间将输入、输出和电源电路进行隔离，使他们之间 没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有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。公共的接地端。 方法：方法：采用电磁耦合采用电磁耦合(变压器变压器)和光电耦合。和光电耦合。 应用场合：应用场合：主要用于便携式测量仪器和某些测控系统主要用于便携式测量仪器和某些测控系统(如如 生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程 控制系统等控制系统等)中，能在噪声环境下以高阻抗、高共中，能在噪声环境下以高阻抗、高共 模抑制能力传送信号。模抑制能力传送信号。 第第2章章 信号放大电路信号放大电路1. 组成及符号组成及符号2.3 隔离放大电路隔离放大电路2.3.1 基本原理基本原理Ciso 隔离电容隔离电容(典型值典型值20pF)Riso 隔离电阻隔离电阻(很大很大 )1210 uiso 隔离模电压，指隔离器两端或输入端与输出端两隔离模电压，指隔离器两端或输入端与