chap02-测控放大电路

1、第2章 信号放大电路 2.1 运算放大器的误差及其补偿2.2 典型测量放大电路2.3 隔离放大电路2.4 噪声的基础知识2.0 概述信号放大电路是将微弱的传感器信号,放大到足以进行各种转换处理,或前级放大,或带动指示器,记录器以及各种控制机构.放大电路的种类低噪声放大电路 / 高输入阻抗放大电路高共模抑制比放大电路 / 差动放大电路电桥放大电路 / 电荷放大电路程控放大电路隔离放大(生物电信号等在强噪声背景下)硬件:分立元件/通用集成运放/专门设计的单片集成运放2022/8/1222.1 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1,理想运算放大器的假设A) 放大倍数A0为无穷

2、大,在线性范围内 U+ - U-0 B) 输入电阻为无穷大C) 输出电阻为零2,实际运放与理想运放的差别.教材P14 表2-1差模增益,共模增益,输入/输出阻抗,带宽器件的选用/性能,价格 应用场合:科研/研发与投产2022/8/1232.1.2 失调及其补偿1 输入失调电压当U+=U-=0时,实际运放的输出U0并不等于0,必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零,这一直流电压称为输入失调电压Uos,UIs.例: (uA741 Uos=2-10mv)原因:运放前级的差动放大器并不一定完全对称.当输入为零时,输出端的电压称为输出失调电压Uo输入失调电压随时间和温度而变化,即零点在变动,常称零

3、点漂移.2022/8/1242.1.2.2 输入失调电流实际输入电阻并不是无穷大,两个输入端要取静态电流,且两个电流未必相等,其差值为输入失调电流.例: (uA741 Ios=50-300 NA)2022/8/1252.1.2.2 输入失调电压电流的实测P15图2-2 失调电压,失调电流及温度特性的测量电路2022/8/1262.1.2.4 输入失调电压和输入失调电流的调整内部调整法许多线性集成运放有调整失调的端子.通过一个可调电阻/电位器来调整. P17例子结合具体芯片外部调整法运放本身没有输入失调电压/失调电流的调整端子,由外部把调整电压加至运放的反相输入端或同相输入端图P16 图2-3

4、举例说明分析方法 2022/8/127外部调整失调-接入反相端2022/8/128外接调整失调-接入同相端2022/8/1292.1.3 转换速率和最大不失真频率所谓转换速率SR是指运放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,用V/us表示.表示输出电压能够跟踪输入电压的能力.SR = delta_u/delta_t若输出信号为正弦波 u=Um.sinwt, 这时u的最大变化率 du/dt|max= wUm= 2*pi*f*Um,为使输出信号不失真,此值应小于等于转换速率SR, 即fmax=SR/(2*pi*Um)最大不失真频率fmax随信号幅值的增加而减小. 2022/8/

5、12102.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿阻容耦合电路的超前/滞后特性.(不作要求)2022/8/12112.2 典型测量放大电路在测量控制系统中，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，亦称仪用放大电路。测量放大电路的结构形式与传感器的类型有关.电桥放大电路,电阻应变片式传感器通过电桥转换电路输出电压信号,用差动放大器进一步放大.电流放大电路,光电池光敏元件作为检测元件,由于它们的输出电阻很高,可视为电流源. 压电式传感器,电荷放大.测量放大电路的频带宽度由被测参数的频率范围及其载波信号的频率决定.低的从直流开始,高的可达1011 HZ,放大电路和带宽应保

6、证不失真测量.2022/8/12122.2.1 测量放大电路的基本要求与类型 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； 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。测量放大电路是一种综合性能好的高性能放大电路.2022/8/1213测量放大电路的类型按结构原理,分为差动直接耦合式调制式和自动稳定式.按元件形式可分为分立元件结构形式通用集成运放形式/单片集成测量放大器三种.2022/8/12142.2.2 反相放大电路基本形式如图所示.(下页)输入阻抗等于R1闭

7、环增益 Kf = -R2/R1电路的优点是性能稳定,缺点是输入阻抗比较低,但一般能满足大多数场合的要求,应用较多在提高输入阻抗(R1)与提高电路的增益(R2)之间存在一定矛盾.2022/8/1215反相放大电路形式a) R3的取值? uoR3uiR1R2-+N12022/8/1216反相放大电路(续)既有较高的输入阻抗,又可取得足够的增益.P22 图 2-10 (b)选取 R2 (R4,R5)2022/8/1217反相放大电路-变形12022/8/1218反相放大电路(续)为抑制噪声,把放大器和滤波器设计成一体,交流放大电路.P22 图2-10 (c)推导输出/输入关系.(相量方式)2022/

8、8/12192.2.3 同相放大电路同相放大电路的基本形式闭环增益 Kf=1+R2/R1同相放大器的输入阻抗式中 Zi- 运放的开环输入阻抗K -运放的开环增益同相放大电路具有高输入阻抗,但易受干扰.2022/8/1220同相放大电路的基本形式uoR3uiR1R2-+N12022/8/1221同相放大电路(续)P23 图2-11 b)电阻取值: R1=R2, R2(R3,R4)放大倍数 Kf=1+R3/R4元件的选取一个原则:减少元器件的品种.2022/8/1222同相放大电路-变形反馈网络采用”Y”形网络,是为了消除放大器的输入偏置电流,使运放两输入端的电阻尽可能相等.2022/8/1223

9、跟随(放大)电路P23 图2-11 c)是同相放大电路的一种极端形式.(可认为R1无穷大),电压增益为1.(提高输入阻抗)R1,R2是平衡电阻,目的是消除运算放大器的输入偏置电流,有时可以省略.应用很广.2022/8/12242.2.4 基本差动放大电路差动放大电路是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端,在输出端取出两个信号的差模成分,而尽量抑制两个信号的共模成分的电路.有利于抑制共模干扰,减小温度漂移.由1只运用运算放大电路和4只电阻构成.2022/8/1225基本差动电路R2uoR4ui2R1-+N1R3ui1R2uoR4ud/2R1-+N1R3ud/2uic2022/8/

10、1226差动放大电路分析利用叠加原理, 若有R2/R1=R4/R32022/8/12272.2.5 高共模抑制比放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压(包括干扰电压).一般采用集成运放来抑制.要求:1,外接电阻平衡对称,2,运放具有理想特性,共模抑制比高.解决方法:由若干集成运放组成测量放大电路.应用场合:应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。 2022/8/12282.2.5.1 双运放高共模抑制比放大电路1,反相串联结构型ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N22022/8/1229反相串联结构型(续)由叠加原

11、理: uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当 R2/R1=R4/R5，ui1=ui2 时， uo=(R6/R1)(ui1-ui2)=0 共模信号得到抑制电路的共模抑制能力与外接电阻的对称精度有关;电路的输入阻抗低.通常取R1=R5，R2=R42022/8/12302,同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1uo1=(1+R2/R1) ui1(uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4 uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1i电路采用了两个同相输入的运算放大器,因而具有很高的输入阻抗.2022/8/1

12、231同相串联结构型(续)取共模输入电压差模输入电压将上式改写成:为了获得零共模增益,令右边第一项为零,取则差动闭环增益为2022/8/12322.2.5.2 三运放高共模抑制比放大电路2022/8/1233三运放高共模抑制比放大电路(续)2022/8/1234三运放高共模抑制比放大电路(续)再加一级差动放大,总的输入/输出关系2022/8/1235三运放高共模抑制比放大电路(续)电路的特点:1)当N1,N2性能一致时,输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关,其共模输出失调及漂移均在R0两端相互抵消,因此电路具有良好的共模抑制能力2)电路具有增益调节能力,调节R0可以改变增益而不影响

13、电路的对称性.3)在N3的两个输入端之间接入R7,R8和RP共模补偿电路,通过调节RP补偿电阻的不对称,获得更高的共模抑制比.2022/8/12362.2.5.3 有源屏蔽驱动电路大部分传感器与测量放大电路之间有一定的距离,通常用屏蔽电缆连接,屏蔽层一般接地.电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容,包括传感器输出电容C1,C2,以及传感器内阻Rs1,Rs2将在放大器两端形成两个积分电路. Rs1C1!= Rs2C2对下一级电路产生差模输入.采用共模电压自举方法,也称输入保护技术,即有源屏蔽驱动电路.2022/8/1237有源屏蔽驱动电路(续)差 动放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2

14、+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N32022/8/1238有源屏蔽驱动电路(续)运放N1,N2构成同相比例差动放大器,输入端的共模电压1:1输出,两个电阻R0的中间点的电位Uc等于共模输入电压Uic,即二输入电缆的屏蔽层由共模输入电压Uic驱动,而不是接地,相当于图a中电容C1,C2的公共端接Uc.因此电缆输入芯线与屏蔽层之间的共模电压为零,消除了屏蔽电缆电容的影响,没有共模信号的电流流过传感器内阻Rs1,Rs2.这种有源屏蔽驱动电路经常用于电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。2022/8/12392.2.6 电桥放大电路电

15、参量式传感器，如电感式、电阻应变片、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，并由运放作进一步放大。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。 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。分单端输入和差动输入两类。2022/8/12402.2.6.1 单端输入电桥放大电路下图是传感器的电桥接至运放的反相输入端，称为反相输入电桥放大电路。电桥对角线a,b两端的开路输出电压Uab为Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na) 反相输入R+RR2R1uoRRRu-+Nb) 同相输入2022/8/1241单端输入电桥放

16、大电路（续）Uab通过运放N进行放大，由于电桥电源U是浮置的，所以U在R1，R2中并无电流通过。Ua=0,Ub=-Uab2022/8/1242单端输入电桥放大电路（续）单端输入电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关,增益比较稳定. / 电桥电源浮置.2022/8/12432.2.6.2 差动电桥放大电路把传感器电桥两输出端分别与差动放大器的两输入输入端相连,构成差动输入电桥放大电路.-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR2022/8/1244差动电桥放大电路(续)当R1=R2,R2 R时2022/8/1245差动电桥放大电路(续)由于引入桥臂电阻,电桥的电压放大倍数不是常量;桥臂电阻R

17、的温度系数与R1不一致时,增益不稳定.电路的非线性仍然存在,只有当delta1时,Uo与delta才近似成线性关系这种电路只适用于低阻值传感器,且测量精度要求不高的场合.2022/8/12462.2.6.3 线性电桥放大电路为了使输出电压U0与传感器电阻相对变化率delta成线性关系,把传感器构成的可变桥臂接在运放的反馈回路中.uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub-+N2022/8/1247线性电桥放大电路(续)2022/8/12482.2.7 低漂移放大电路通常传感器输出的信号电压在0数mv范围内变化,因此,应减小测量放大电路的电压漂移,实现低漂移信号放大.为减小集成运放的失调和低

18、频干扰引起的零点漂移,可采用通用集成运放组成的斩波稳零放大电路自动调零放大电路 *低漂移单片集成运放 *2022/8/12492.2.7.1 自动调零放大电路-动态校零放大电路-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 电路原理图K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出主放大器方波(时钟)发生器反相器误差保持电路寄存N1失调电压2022/8/1250自动调零放大电路(续)由图a，当N3输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失调调零状态，其误差保持电路见图b。可推出：电容C

19、1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。2022/8/1251自动调零放大电路(续)当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。 实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。 电路实际上用一块四运放(LM324,LF347等)和一块4位模拟开关(CD4066,5G811等)组成,电路成本低. 输出电压较稳定；波动小； 适用于毫伏级的低电平放大。2022/8/12522.2.7.2 低漂移单片集成运算放大器1、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）CAZ运算放大器,是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零两种不同的状态

20、。 2022/8/1253轮换自动校零集成运算放大器(续)输出C1G输入 C2+输入 输出 R2-+N1-+N2R2C1GR2输入 -+N1-+N2R2+输入 a) N2处于自动校零状态b) N1处于自动校零状态C22022/8/1254轮换自动校零集成运算放大器(续)图 a) C2寄存了N2的输入失调电压和低频瞬时干扰电压-校正电压图 b) 电容串接于输入信号与N2输入端之间,寄存于C2的校正电压抵消了N2的输入失调电压和低频瞬时干扰电压,达到自动校零的目的,此时C1寄存N1的校正电压.2022/8/12552、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSa

21、Sb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+-+N1+-+N2+-2022/8/1256斩波稳零集成运算放大器(续)误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除

22、，达到稳零目的。 此时， Uo1=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。2022/8/1257斩波稳零集成运算放大器(续)ICL7650斩波稳零集成运放具有高增益、失调电压影响小、高共模抑制比和高输入电阻等优点，且可用作差动放大器，是一种近似理想的直流集成运放。低压CMOS器件，电源电压的典型值为+-6V，焊接时应防止击穿损坏，记忆电容C1=C2=0.1uf需外接，交替工作产生的尖峰电压可用低通滤波器滤除。问题：该电路的增益是如何提高的？该电路的输入失调电压是如何减小的？该电路的共模抑制比是如何提高的？该电路有哪些优点？2022/8/12582.2.8 高输入阻抗放大电路有

23、些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108 ohm,要求测量放大电路具有很高的输入阻抗方法：采用高输入阻抗集成运放或采用由通用集成运放组成自举电路。2022/8/12592.2.8.1 高输入阻抗集成运放高输入阻抗集成运放安装在印刷电路板(PCB)上时，会因周围的漏电流流入高阻抗而形成干扰。通常采用屏蔽方法解决。在运放的高阻抗输入端周围用导体围住，构成屏蔽层，并把屏蔽层接至低阻抗处。这样屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，从而防止了漏电流的流入。Protel中的”铺地”与屏蔽功能2022/8/1260集成运放的屏蔽2022/8/12612.2.8.2 自举式高输入阻抗放大电路自举电路是

24、利用反馈提升电阻一端的电位,使其两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。以下图示三种常见的自举电路。2022/8/1262同相交流放大电路（虚短）uoR1R2C2C1R3-+ui2022/8/1263b)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+2022/8/1264c)自举组合电路uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)2022/8/1265自举组合电路（续）运放N1的输入电流i1将全部由N2电路的电流i2所提供，输入回路无电流，输入阻抗为无穷大。实际上R2与R1之间总有一定的偏差，当偏差不大时，输入电阻仍然很高。另外运放偏离理想运放

25、，也会使输入阻抗有所下降。注意：测量放大电路的输入阻抗越高，输入端的噪声也越大。因此不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗，而是应该与传感器的输出阻抗相匹配，使测量放大电路的输出信噪比达到最大。2022/8/12662.2.9 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的测量放大电路.例如:压电式或电容式传感器或将某些被测量(如力,压力,加速度等)转换成电荷信号输出,再通过电荷放大电路输出电压信号.电荷放大电路亦称为电荷-电压变换电路.2022/8/12672.2.9.1 基本原理运放的反相端与传感器相连,传感器的输出电荷只对反馈电容C充电,电容两端的电压Uc=Q/C,则电荷放大电路的输出2022/8/1268实际等效电路2022/8/1269电荷放大器的输出电荷放大电路的高频特性与N的开环频率响应有关,因此,需要高的上限频率时,须选用高速运放,如OP37,FC91等.2022/8/12702.2.9