第二章 信号放大电路

1、测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路第二章第二章 信号放大电路信号放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 信号放大电路：信号放大电路：n集成运放：集成运放： 为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录仪以及各种控制机构。处理，或推动指示器、记录仪以及各种控制机构。 是指将一个微弱的电信号加在一个装置的输入端，是指将一个微弱的电信号加在一个装置的输入端，通过这个装置的电流（或电压）控制作用，使直流通过这个装置的电流（或电压）控制作用，使直流电源给出一个波形与该微弱信号相同但幅度却大很电源给出一

2、个波形与该微弱信号相同但幅度却大很多倍的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。多倍的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路放大电路放大电路RsUs+_Uo+_io输入信号源输入信号源负载负载直流电源直流电源扩音器中放大电路组成示意图扩音器中放大电路组成示意图三种基本放大电路：三种基本放大电路：分压式偏置稳定共射放大电路分压式偏置稳定共射放大电路晶体管共集放大电路（射级输出器）晶体管共集放大电路（射级输出器）晶体管共基放大电路晶体管共基放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 一般情况下，放大电路的输入信号都很微弱，为毫伏或一般情况

3、下，放大电路的输入信号都很微弱，为毫伏或微伏级，用一级放大电路得到的输出电压或功率往往达不到微伏级，用一级放大电路得到的输出电压或功率往往达不到负载要求，因此要组成多级放大电路。负载要求，因此要组成多级放大电路。级间耦合方式：级间耦合方式：直接耦合：直接耦合：把前一级输出端直接接到后一级的输入端（用于放把前一级输出端直接接到后一级的输入端（用于放大直流信号或缓慢变化的信号）大直流信号或缓慢变化的信号）阻容耦合：阻容耦合：把前一级输出端通过电容器与后一级的输入端连接把前一级输出端通过电容器与后一级的输入端连接起来。（用于放大交流信号、无法集成）起来。（用于放大交流信号、无法集成）变压器耦合：变压

4、器耦合：通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧。（用于功率放大及调谐放大、不能传送直流信号）侧。（用于功率放大及调谐放大、不能传送直流信号）光电耦合：光电耦合：以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递。以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 利用差动放大电路和其他基本放大电路，可以组利用差动放大电路和其他基本放大电路，可以组成直接耦合多级放大电路。成直接耦合多级放大电路。集成运放的组成框图集成运放的组成框图输入级输入级中间级中间级输出级输出级+_UiUo+_偏置回路偏置回路第一级：差动放大电路第一级

5、：差动放大电路第二级：共射基本放大电路第二级：共射基本放大电路第三级：基本放大电路第三级：基本放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路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开环差模电压增益Kd 共模增益Kc开环差模输入电阻rid开环输出电阻ro共模抑制比KCMR=差模增益Kd/共模增益Kc输入失调电压U0s输入失调电流I0s2.1 运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路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：失调电压随时失调电压随时间和温度而变化，

6、即零点间和温度而变化，即零点在变动。在变动。suRRu0120)/1 ( 输入失调电压输入失调电压输出失调电压输出失调电压su00u2R测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.1.2.2 输入失调电流输入失调电流2.1.2 失调及其补偿失调及其补偿23121202)/1 (bbIRRRIRu若取213/ RRR sbbIRIIRu0212202)(2R测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.1.2.3 输入失调电压和输入失调电流实测输入失调电压和输入失调电流实测切换开关切换开关S闭合，输出电压闭合，输出电压U11/1210RRUus切换开关切换开关S打开，输出电压打开，

7、输出电压U2301212)/1 (RIRRUUs)/1 (123120RRRUUIs测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路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转换速率转换速率SR：运算放大器的输入信号为高频正运算放大器的输入信号为高频正弦波，而输出呈三角波时，其三角波的斜率。弦波，而输出呈三角波时，其三角波的斜率。tuSR最大不失真频率最大不失真频率mUSRf2max反映集成运放对于高速反映集成运放对于高速变化的输入信号的响应变化的输入信号的响应情况，只有输入信号变情况，只有输入信

8、号变化速率的绝对值小于化速率的绝对值小于SR时，运放的输出才能跟时，运放的输出才能跟上输入的变化。上输入的变化。SR越高，越高，表明集成运放的高频特表明集成运放的高频特性能越好。性能越好。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3 典型测量放大电路典型测量放大电路2.3.1 测量放大电路的基本要求与类型测量放大电路的基本要求与类型何谓测量放大电路？对其基本要求是什么何谓测量放大电路？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、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，

9、亦称，亦称仪仪用放大电路用放大电路。2、对其基本要求基本要求：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；测控电路机电工程学院 杨书仪第2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低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；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。2.3 典型测量放大电路典型测量放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3 典型

10、测量放大电路典型测量放大电路按按结构原理结构原理，测量放大电路可分为差动直接耦，测量放大电路可分为差动直接耦合式、调制式、自动稳定式三大类。合式、调制式、自动稳定式三大类。按按元件制造方式元件制造方式，测量放大电路可分为分立元，测量放大电路可分为分立元件结构形式、通用集成运算放大器组成形式、件结构形式、通用集成运算放大器组成形式、单片集成测量放大电路。单片集成测量放大电路。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.2 反相放大器反相放大器Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 uoR3uiR1R2-+N12.3 典型测量放大电路典型测量放大电路测控电路机

11、电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.2 交流反相放大电路交流反相放大电路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2-+N1C1C32.3 典型测量放大电路典型测量放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.3 同相放大器同相放大器Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3uiR1R2-+N12.3 典型测量放大电路典型测量放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路交流

12、放大器交流放大器同相交流放大电路同相交流放大电路C1：隔直电容：隔直电容R3 ：C1的放电回路的放电回路 R3 必须有必须有zi =R3 uoR3uiR1R2-+N1C1测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路交流放大器交流放大器交流电压跟随电路交流电压跟随电路同相放大电路的特例同相放大电路的特例为减小失调电流，为减小失调电流，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路uoR3ui2R1R2-+N1ui1R42.3.4 差动输入放大器差动输入放大器)(12120iiUURRU什么是差动放大器？什么是差动放大器？ 差动放大器差动放大器是把二

13、个输入信号分别输入到运算放大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。信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。2.3 典型测量放大电路典型测量放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路差动放大器差动放大器R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic基本电路基本电路共模与差模输入共模与差模输入测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路差动放大器差动放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效电路等

14、效电路ud= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2由等效电路可得由等效电路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若若R1=R2，R3=R4，则则uo=(R3/R1) ud即即只对差模信号进行放大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即即输出信号中无共模信号成分输出信号中无共模信号成分测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号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

15、制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的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。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的场合，例如人的场合，例如人体心电测量。体心电测量。 2.3.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路2.3.5.1 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、反相串联结构型、反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当

16、当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，时，uo=0通常取通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路2、同相串联结构型、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)ui1为了获得零共模增益，可取为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1测控电路机电工程学院

17、 杨书仪第2章 信号放大电路高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1)R5 /R3 ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N32.3.5.2 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测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路（1）先认清电路的组成）先认清电路的组成第一级：由同相输入的运放第一级：由同相输入的运放N1、N2并联

18、组成双端输入、双端并联组成双端输入、双端输出的差动放大电路。由于是同相端输入，电路具有很高的输出的差动放大电路。由于是同相端输入，电路具有很高的输入电阻。当输入电阻。当N1、N2输出端上的共模输出电压和温漂电压对输出端上的共模输出电压和温漂电压对称时，通过第二级称时，通过第二级N3组成的差动级可使它们互相抵消。组成的差动级可使它们互相抵消。第二级：运放第二级：运放N3组成差动级，组成差动级，N3外接电阻两边对称，外接电阻两边对称，U0只和只和输入电压输入电压U01、U02之差有关，之差有关，U01、U02中的共模成分则互相中的共模成分则互相抵消。抵消。（2）U0与与Ui1、Ui2的关系的关系（

19、3）共模抑制比）共模抑制比CMMR（4）电路特点）电路特点 输入电阻高；输入电阻高； 利用集成工艺制作的单片测量放大电路，有很好的电路对称性；利用集成工艺制作的单片测量放大电路，有很好的电路对称性； 可方便地调节放大器的增益而不影响电路的对称性。可方便地调节放大器的增益而不影响电路的对称性。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.6.1 自动调零放大电路自动调零放大电路基本设计思想：将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它送基本设计思想：将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它送 到放大器输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压。到放大器输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压

20、。-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 电路原理图电路原理图UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出调零放大输出K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持误差保持2.3.6 低漂移放大电路低漂移放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路自动调零放大电路由图由图a，当，当N3输出高电平，输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失导通，电路处于失调调零状态，见图调调零状态，见图b。可推出：。可推出： Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1电容电容C1寄存了运算放大

21、器寄存了运算放大器N1的失调电压的失调电压U0s1。当当N3输出低电平，输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状导通，电路进入信号放大状态，见图态，见图c。可推出：。可推出： Uo(R2/R1)Ui实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路自动调零放大电路自动调零放大电路电路特点：电路特点：1.性能优于由性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大通用集成运放组成的斩波稳零放大电路；电路；2.输出电压较稳定；输出电压较稳定；3.波动小；波动小；4.电路成本低（用一块四运放电路成本低（用一块四

22、运放LF347和一块和一块4位模位模拟开关拟开关CD4066即可组成）；即可组成）；5.适用于毫伏级的低电平放大。适用于毫伏级的低电平放大。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.6.2 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）什么是什么是CAZ运算放大器？运算放大器？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零致

23、的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。两种不同的状态。 问题：问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？ 测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.斩波稳零放大电路（第四代集成运放） 斩波稳零放大电路是利用同步调制斩波稳零放大电路是利用同步调制-解调，并由解调，并由隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零。隔直电容隔离失调和干扰电压来实现自动稳零。解调器解调器方波发生器方波发生器调制器调制器隔直电容隔直电容交流放大器交流放大器隔直电容隔直电容Ui Uo 斩波稳零放大电路原理框图斩波稳零放大电路原理框图决定调制频率决定调制

24、频率隔离失调和低频干扰隔离失调和低频干扰测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路斩波稳零放大电路斩波稳零放大电路基本原理：基本原理：将输入直流信号电压经斩波器（调制器）转换为交将输入直流信号电压经斩波器（调制器）转换为交流电压，由交流放大器放大后经解调器将放大后的交流电压转流电压，由交流放大器放大后经解调器将放大后的交流电压转换为直流电压。由于信号的放大靠交流放大器完成，而交流放换为直流电压。由于信号的放大靠交流放大器完成，而交流放大器由于电容的隔直作用，所以能有效地抑制零漂。大器由于电容的隔直作用，所以能有效地抑制零漂。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路电路特点：电路特

25、点：不需任何调零装置，能在很宽的频率范围内放大不需任何调零装置，能在很宽的频率范围内放大微弱的电压信号，是一种低漂移，高精度的测量微弱的电压信号，是一种低漂移，高精度的测量放大电路，因有高、低通滤波电路，难以集成。放大电路，因有高、低通滤波电路，难以集成。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路a)同相交流放大电路同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3-+ui2.3.7 高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路 2.3.7.1 高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器 2.3.7.2 自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路

26、自举电路自举电路b)交流电压跟随电路交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路自举电路自举电路c)自举组合电路自举组合电路输入电阻为输入电阻为Ri=(R1R2)/(R2-R1)当当R2=R1时，时，Ri i2 = i1 uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路自举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是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电输入电阻的两端近似为等电位，位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗

27、的电路。的电路。是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？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。如测量放大电路中。如电容式、压电式传感器电容式、压电式传感器的测量的测量放大电路。放大电路。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.8 电荷放大电路电荷放大电路电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。（压电式传感器、电容式传感器）的测量放大电路。（压电式传感器、电容式传感器）2.3.8.1 基本原

28、理基本原理2.3.8.2 电荷放大电路的特性电荷放大电路的特性 1、开环电压增益的影响、开环电压增益的影响 2、频率特性、频率特性 3、噪声及漂移、噪声及漂移测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路压电式加速度传感器压电式加速度传感器六通道电荷放大器六通道电荷放大器Type 8339 has a sensitivity of 0.25 mV/g and a full range output of 20000 g测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.9 电流放大电路电流放大电路电流放大电路电流放大电路是一种将微弱电流放大的测量放大电路。在微弱是一种将微弱电流放大的测量

29、放大电路。在微弱信号测量电路中，某些传感器（如光电池）是电流输出型，通信号测量电路中，某些传感器（如光电池）是电流输出型，通常都采用电流放大电路将微弱电流放大以进行后续处理。常都采用电流放大电路将微弱电流放大以进行后续处理。2.3.9.1 基本原理基本原理0122 2222111112UiUI RIIIAiLiUI RAIIIIU/ RRiLAKiIIIU/ RRiiiA 测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.9 电流放大电路电流放大电路2.3.9.2 电流放大电路实例电流放大电路实例4113221211120511 4325211 3 551UI RiiRUUPRRRUUU

30、PiRRUUUUiPIRRR RR (RR )URiU()PR R RRR 满足平衡条件时满足平衡条件时1 43252151R RRRRURiIoRR前后级联合起来，则前后级联合起来，则21512151RRI()IoiRRRR()RR k=-测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.10 电桥放大电路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感器和运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。算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。(实质上是电阻实质上是电阻电压转换器）电压转换器）应用

31、于何种场合？应用于何种场合？ 需要对温度、压力或机械变形等物理量进行检测，可需要对温度、压力或机械变形等物理量进行检测，可利用电桥的不平衡输出实现检测。利用电桥的不平衡输出实现检测。 应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、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，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，或由传感器和运算放大器直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电路，输出放大了的电压信号。接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。 测控电路机电工程学院 杨书

32、仪第2章 信号放大电路电桥放大电路电桥放大电路2.3.10.1 单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na) 反相输入R+RR2R1uoRRRu-+Nb) 同相输入1、由、由 可知，电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关。可知，电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关。2、采用浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能、采用浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。力。)2(14)1 (120uRRu测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路电桥放大电路电桥放大电路2.3.10.2 差动输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路-+NR

33、2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR1、增益与桥臂电阻有关。、增益与桥臂电阻有关。2、电桥电源接地，只适用于低阻、电桥电源接地，只适用于低阻值传感器，且测量精度要求不高值传感器，且测量精度要求不高的场合。的场合。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路电桥放大电路电桥放大电路2.3.10.3 线性电桥放大电路线性电桥放大电路uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub-+NRRRuu10测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.3.11 增益调整放大电路增益调整放大电路 增益调整放大电路是既能方便地调整放大电路地增增益调整放大电路是既能方便地调整放大电路地增益，又不

34、降低放大电路共模抑制比的专门电路。益，又不降低放大电路共模抑制比的专门电路。调整方式：手动、自动、程控。调整方式：手动、自动、程控。手动增益调整电路手动增益调整电路11133430122224324412222211()()()()()()()2(1)()iioiiuuuuuuuuRRRRuuuuuuuRRRRRRuuuRR测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路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接的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的接地端。电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端

35、。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、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工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。阻抗、高共模抑制能力传送信号。 2.4 隔离放大电路隔离放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路隔离放大电路隔离放大电路（一）基本原理（一）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uducuiso隔离电源测

36、控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路隔离放大电路隔离放大电路2、原理框图、原理框图a) 变压器耦合变压器耦合（用于高频）（用于高频）浮置电源浮置电源输入调制输入调制放放 大大 器器耦合变压器耦合变压器输出解调输出解调放放 大大 器器输出输出输入输入b) 光电耦合光电耦合（用于低频）（用于低频）浮置电源浮置电源光耦合器光耦合器输输 入入放大器放大器输输 出出放大器放大器输出输出输入输入VLCV测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路隔离放大电路（二）通用隔离放大电路1、AD277变压器耦合隔离放大器隔离隔离电源电源振荡器振荡器调制器调制器输入屏蔽输入屏蔽解调器解调器输出屏蔽输出

37、屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N2测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 235L电源904510增益微调用100kAD277UoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路10k10k1k235L电源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C0.1F高性能斩波稳零隔离放大电路测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路补充内容测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 功率放大电路功率放大电路 从能量转换

38、和控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电从能量转换和控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路并无本质区别。但两者任务不同，要求也不同。路并无本质区别。但两者任务不同，要求也不同。 电压放大电路电压放大电路是把微弱的电压信号加以放大，通常工作在小是把微弱的电压信号加以放大，通常工作在小信号情况下，放大电路本身消耗的功率不大。信号情况下，放大电路本身消耗的功率不大。 功率放大电路功率放大电路主要考虑如何获得最大的输出功率。功率是电主要考虑如何获得最大的输出功率。功率是电压和电流的乘积，因此一个功放不仅要有足够大的输出电压，还压和电流的乘积，因此一个功放不仅要有足够大的输出电压，还应有足够大的输

39、出电流，才能有足够大的输出功率。应有足够大的输出电流，才能有足够大的输出功率。功放电路特点和要求：功放电路特点和要求：（1）要有足够大的输出功率；）要有足够大的输出功率；（2）效率要高；）效率要高； (交流输出功率与直流输入功率之比）交流输出功率与直流输入功率之比）（3）非线性失真要小；）非线性失真要小；（4）不能忽视散热和过载保护问题。）不能忽视散热和过载保护问题。EoPPooomIUP最大输出电流有效值最大输出电压有效值测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路低频功率放大电路的形式主要有两类：低频功率放大电路的形式主要有两类：一类是采用变压器耦合方式；一类是采用变压器耦合方式；一类

40、是无输出变压器。一类是无输出变压器。功放电路是根据功率管静态工作点功放电路是根据功率管静态工作点Q选择的不同来进行分类的。选择的不同来进行分类的。晶体管导通角晶体管导通角 甲类；甲类； (晶体管在信号的整个周期内都有电流流过）晶体管在信号的整个周期内都有电流流过） 乙类；乙类； （晶体管只在信号的半周内导通，另一半周截止（晶体管只在信号的半周内导通，另一半周截止） 甲乙类。甲乙类。 （晶体管在信号的一个周期内有一段时间不导通）（晶体管在信号的一个周期内有一段时间不导通）000036018018036000003601801803600000360180180360测控电路机电工程学院 杨书仪第

41、2章 信号放大电路 一般来说一般来说，把那些来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方把那些来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响称为法加以减弱或消除的影响称为“干扰干扰”；而把由于材料或器件而把由于材料或器件内部的原因而产生的信号污染称为内部的原因而产生的信号污染称为“噪声噪声”。 噪声又可分为噪声又可分为白噪声白噪声和和色噪声色噪声。 白噪声：白噪声：噪声的波形是随机的，即幅值、相位、频率都是噪声的波形是随机的，即幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从随机的，其瞬时值不能预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。统计观点来看是一

42、个常量。 色噪声：色噪声：噪声的频率是固定的，是可以预测的，而幅值和噪声的频率是固定的，是可以预测的，而幅值和相位有可能是随机的。相位有可能是随机的。2.2 噪声的基础知识噪声的基础知识测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路噪声的来源与特点噪声的来源与特点 噪声是来自元器件内部的一种信号污染。例如噪声是来自元器件内部的一种信号污染。例如, 任何处任何处于绝对零度以上的导电体都会产生热噪声于绝对零度以上的导电体都会产生热噪声, 电子的随机作用电子的随机作用会产生散粒噪声等等。这些噪声的形态大多是由一些尖脉冲会产生散粒噪声等等。这些噪声的形态大多是由一些尖脉冲组成组成, 其幅度和相位都是

43、随机的其幅度和相位都是随机的, 因此常称之为随机噪声。随因此常称之为随机噪声。随机噪声混杂于信号之中机噪声混杂于信号之中, 降低了传感器和仪器的分辨力降低了传感器和仪器的分辨力, 严重严重时甚至可把有用信号淹埋时甚至可把有用信号淹埋, 给测试工作带来很大的困难。统给测试工作带来很大的困难。统计分析表明计分析表明, 随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程, 绝大绝大多数随机噪声幅度的概率分布属于正态多数随机噪声幅度的概率分布属于正态 ( 高斯高斯 ) 分布。分布。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.2.1 噪声的种类与性质噪声的种类与性质2.2.

44、1.1 热噪声热噪声 热噪声是由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪热噪声是由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声，是一种白噪声。处于绝对零度以上的任何导体中，都声，是一种白噪声。处于绝对零度以上的任何导体中，都存在着电子的随机运动，这种运动与温度有关。存在着电子的随机运动，这种运动与温度有关。2.2.1.2 低频噪声低频噪声 低频噪声是一种与晶体管表面的状态以及低频噪声是一种与晶体管表面的状态以及PN结的漏电结的漏电流有关的噪声。由于噪声电压的方均值与频率的大小成反流有关的噪声。由于噪声电压的方均值与频率的大小成反比，故又称为比，故又称为1/f噪声。噪声。2.2.1.3 散弹噪声散弹噪声

45、低频噪声是一种与晶体管表面的状态以及低频噪声是一种与晶体管表面的状态以及PN结的漏电结的漏电流有关的噪声。由于噪声电压的方均值与频率的大小成反流有关的噪声。由于噪声电压的方均值与频率的大小成反比，故又称为比，故又称为1/f噪声。噪声。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路2.4.2 2.4.2 干扰的来源与特点干扰的来源与特点 干扰的来源很多性质也不一样。干扰窜入仪器的渠道主要有三条干扰的来源很多性质也不一样。干扰窜入仪器的渠道主要有三条 :(1)空间电磁场。空间电磁场。 通过电磁波辐射窜入仪器通过电磁波辐射窜入仪器 , 如雷电、无线电波等。如雷电、无线电波等。(2) 传输通道。传输

46、通道。 各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入各种干扰通过仪器的输入输出通道窜入 , 特别是长传输线受到的干扰特别是长传输线受到的干扰更严重更严重 。(3) 配电系统。配电系统。 如来自市电的工频干扰它可以通过电源变压器分布电容如来自市电的工频干扰它可以通过电源变压器分布电容 和各种电磁和各种电磁路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭 , 元器件的机械振动元器件的机械振动等都会对测试过程产生不同程度的干扰。等都会对测试过程产生不同程度的干扰。 干扰的特点是来自测试系统外部干扰的特点是来自测试系统外部 , ,一般可以通过屏蔽、一般可以通过屏蔽、滤

47、波或电路元器件的合理布局滤波或电路元器件的合理布局 , ,通过电源线和地线的合理连通过电源线和地线的合理连接接 , ,引线的正确走向等措施加以减弱或消除。引线的正确走向等措施加以减弱或消除。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 抗干扰的措施1. 屏蔽屏蔽 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，不同，可分

48、为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。起的干扰。 测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。场耦合引起的干扰。 变压器的屏蔽 如图所示的如图所示的变压器，在变压变压器，在变压器绕组线包的外器绕组线包的外面包一层铜皮作面包一层铜皮作为漏磁短路环。为漏磁短路环。测控电路机电工程学院 杨书仪第2章 信号放大电路同轴电缆示意图同轴电缆示意图12431芯线；2绝缘体；3外层导线；4绝缘外皮在如图所示的同轴在如图所示的同轴电缆中，为防止信电缆中，为防止信号在传输过程中受号在传输过程中受到电磁干扰，在电到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽缆线中设置了屏蔽层。层。 测控电