l第11章-模拟信号调理课件

1、运放的基本问题第11章 模拟信号调理由运放组成模拟有源滤波器仪用放大器非线性模拟信号的处理电荷放大器第1页，共42页。10-1 引言信号调理的功能：电压放大；阻抗变换。本章主要讨论：InputTransducerAnalogSignalConditioningData Processing运算放大器；仪用放大器；隔离放大器；模拟乘法器等：第2页，共42页。10-2 运算放大器 +_CMRR，运放的开环传递函数技术参数运放的技术参数其中， KVO为开环增益，为3dB频率点；为AD的频率点输入电阻(1013)，输出电阻，上升速率(V/s)增益带宽积GBWP=f1* KVO开环增益，DC偏置电流IB

2、，DC失调电压VOS，放大器的输出电压第3页，共42页。低功耗：供电电源15V、 12V、 5V ，电流10mA运放的分类低噪声：用于前级放大。（斩波稳零）;快速： 25V/s GBWP75MHz ;功率运放：10mA， 15V(40150V,30A)某一型号的运放，可能在多个分类下都能查到，例如PA84增益带宽积：75MHz；上升速率：200V/ s ;峰值输出电压143V;电流40mA理想运放：差分压控电压源第4页，共42页。运放采用FET输入级，Ri可达1012 若考虑运放非理想由可简化为同相放大器+_VoVsR1RF和得可导出，增益带宽积为,与运放的增益带宽积相同。第5页，共42页。对

3、于多输入反相放大器其中当反相放大器和加法器+_VoVs1R1RFVs2R2第i个输入的增益带宽积第6页，共42页。10-3 使用传统的运放组成模拟有源滤波器一、概述作用：改善信噪比；消除干扰；A/D-C的予滤波；LPF用于非线性电路输出的平滑处理。分类：dBfndBfLfHdBfLdBfndBfndBHigh passBroad band passNarrow band passLow passBand reject or notchAll pass第7页，共42页。模拟有源滤波器的结构不同的滤波器结构，可实现同样传递函数。结构不同的滤波器可分为：元件最少型； 增益灵敏度低型； 参数变化灵活型

4、。只讨论较易设计的滤波器结构。假设运放为理想。二、压控电压源源有源滤波器+_VoVsRARFR2R1C1C2V1V2Sallen and Key 二阶LPF（1）低通低通滤波器第8页，共42页。节点V1的节点方程+_VoVsRARFR2R1C1C2V1V2(2)(1)代入(2)闭环放大倍数KV过大，会造成电路自激震荡（R1=R2 ，C1=C2时，KV3）。 KV =1时上式分母为一标准的二次形式第9页，共42页。中，当R1=R2时，自由振荡角频率阻尼系数由C1、C2之比调节阻尼系数，由电阻值调节n。+_VoVsRARFR2R1C1C2Sallen and Key HPF设C1=C2， Kn=1

5、阻尼系数高通滤波器第10页，共42页。+_VoVsR3R2R1CCV1V2带通低通滤波器自由振荡角频率谐振点增益电路的Q值 此电路的AVPK、Q值与C无关，设置好 AVPK、Q值后，由电容值设置n的值。第11页，共42页。三、通用阻抗变换器有源滤波器通用阻抗变换器(Generalized Impedance Converter GIC)I1Z3Z2Z1IOAV1V2+_+_V1V1V3Z4Z5IOAI2I3I4I5GIC的对地输入阻抗由上三个方程可得第12页，共42页。等效电感如果 ，其余为电阻，则Z11为高Q值的感抗最后得到GIC的驱动点阻抗如果Z1、Z5均为电容，Z11为频控负电阻元件D基

6、于GIC得到的感抗、“D”元件，可以设计出低通、高通、宽带通、窄带通、带阻、全通滤波器。(频控负电阻)第13页，共42页。GICInductor+_VoVsRCV1带通滤波器GICD-element+_VoVsRCV1使用GIC的二阶带通滤波器使用GIC频控负电阻的二阶LPF低通滤波器第14页，共42页。GICD-elementV2=VoVsRV1I1CV5Z1=Z2=Z4=Z5=RZ2=1/sC基于GIC的全通滤波器四、高阶有源滤波器 高阶滤波器可通过二阶滤波器的级联实现。Butterworth 滤波器通带无纹波；相频非线性；阻带衰减-20n dB/十倍频程。chebychev 滤波器通带有

7、纹波；同样的衰减，极点阶次比Butterworth 滤波器的阶次要低。椭圆 滤波器为了获得过度带较大的衰减，滤波器通带、阻带均有纹波。第15页，共42页。五、基于运放的积分器和微分器在对输入信号进行调理时，有时要对输入信号进行微积分。简单的模拟积分电路中，会出现问题：（1）输入信号中包含直流分量 时，积分器的输出会饱和；（2）积分器要对其自身的失调 电压和偏置电流进行积分。 使用自动稳零运放可以减小模拟积分器的漂移； 数字积分电路可消除偏置电流和漂移问题；+_VoVosRCIBIOA积分器：第16页，共42页。简单的模拟微分电路中，失调和漂移引起的问题不大，但是，实际运放的有限带宽，会出现高频

8、的暂态问题。+_VoV-RCViOACF节点V-的节点方程运放的开环传递函数由上两式，得对于低频输入：微分器：第17页，共42页。对于高频输入：举例说明，R=1M, C=1F, =1mS, KV=106。算出n=3.16104 rad/s , =1.60 10-2 。解决方法：电阻上并联一电容。+_VoV-RCViOACF第18页，共42页。10-4 仪用放大器 Instrumentation Amplifiers (IAs)仪用放大器通常指具有下列性能的差分放大器： 直接耦合 低噪声 高输入阻抗 高CMRR、 060dB增益、 DC几百k的带宽 仪用放大器的带宽、上升速率都很一般。但在输入电

9、阻和CMRR上有良好的性能。第19页，共42页。一、由运放组成的仪用放大器VoVS_+OA1R4_+OA2_+OA3R3R3R4R2R2R1VSV3V4右图为熟知的3-Op IA.差分增益11000(由R1调节)电阻Ri、Ri 严格匹配。对于OA3电路仅由OA3构成的差分电路，其输入阻抗低，且两端的阻抗不相等。引入两对称电路OA1、OA2。 OA1、OA2的输入可分为共模输入和差模输入。VS、VS共模输入： Vo=0实际中，由于各种非理想因素， Vo 0 。第20页，共42页。当VS、VS差模输入时，此IA结构可用于商业的IA芯片设计。要求电阻严格配对。某个电阻设为可调，以获得最大的CMRR。

10、VoVS_+OA1R4_+OA2_+OA3R3R3R4R2R2R1VSV3V4+-第21页，共42页。两op amp的IA电路。由叠加定理当VS=0，VS作用时，所以当VS =0，VS作用时，VoVS_+OA1_+OA2RFVSRRRR高CMRR要求电阻严格匹配，输入级采用FET，可获得高Zi。二、隔离放大器(Isolation Amplifiers) 在抗干扰、安全绝缘及高共模输入等场合，需要将输入级与后级隔离。具有此功能的器件为隔离放大器。隔离的方法有：变压器耦合；光电耦合。第22页，共42页。45123-+FilterMODIsolatedPower Suppy#1109867-+Fil

11、terIsolatedPower Suppy#2DEMOD100kHz SuppyOscillatorRegulatorINPUTOUTPUTPOWER+15V-15VVOUT15V同步In/OutDCPWRPWRCOM5mAPWROutCOMGAININAD289的框图T1T2RG第23页，共42页。增益11000，取决于外接电阻；AD294A：CMRR=100dB；CMV=3500V；输入阻抗108，150pF；带宽2.5KHz(增益1100)；AD294A广泛用于从获取心电信号(ECG)、脑电信号(EEG) 典型隔离运放介绍：IA296(Intronics公司)：增益10(固定值)；带宽

12、1KHz；CMRR=160dB；CMV=5000V；输入阻抗1011/10pF；DM108/2pF (DCM) ；输入偏置电流0.2nA；IB温度系数5pA/输入(DC)偏置电流2nA；IA296的特点是低噪声，可用于从获取低电平的生物信号，如fetal ECGs、EEGs、第24页，共42页。3562(BB公司)：程控放大器的增益可以通过数字逻辑控制。隔离放大器3562为光电耦合器件。芯片内部无电源，需外加DC/DC电源，如BB722。此芯片的带宽15kHz。三、程控放大器(Programmed Amplifiers)芯片AD562：反馈电阻的切换由模拟开关实现。VoVS_+OA程控信号通常

13、采用权电阻网络或T电阻网络实现Rf。Rf单片可编程放大器，放大倍数：1,2,3,4,8,16.Intersil ICL7605/7606四、自动稳零放大器(Autozero Amplifiers)National Semiconductor LMC669第25页，共42页。10-5 非线性模拟信号的处理全波整流或绝对值电路；多功能转换电路；RMS/DC转换电路；峰值检测电路；采样保持或跟踪保持电路；平方根电路；专用函数模块（对数，三角函数）DC电压表测量专用函数模块第26页，共42页。设在v1的正半周，OA1的输出为负，D2导通, v2 =- v1Vov1_+OA1_+OA2RR2R/2RRD

14、1D2全波整流电路v2v3在v1的负半周，OA1的输出为正，D2截止， v1 =0一、精密的绝对值电路 (Precision Absolute Value Circuits)绝对值电路在测量和信号处理中有广泛应用。全波整流电路DC电压表正弦交流电压例第27页，共42页。右图电路为高输入阻抗的绝对值电路。Vov1_+OA2CR3 =(n+1)R1/(n-1)_+OA1D1D2R1R2nR1小电容C用于改善电路的高频响应。R1、 R3做成可调式，以保证电路工作对称。在v1的正半周，在v1的负半周，在v1较小值时，调节电阻R/2，使整流输出的波形相对称。此电路的输入电阻较小（R/2）。OA2构成一加

15、法器第28页，共42页。CR3 =(n+1)R1/(n-1)_+OA1D1D2R2VoPVb_+DAX0+XNM第29页，共42页。m=KD1= KD2=1_+DA1V2_+DA2VYVZV1V3VXVO由上两式，得多功能转换器由模拟LSI电路构成，其实现的功能为二、多功能转换器 (Multifunction converters)输入电压范围：010V；频率范围：DC400kHz；M：0.25.0应用：乘法；平方；平方根；指数；真RMS；向量的模。芯片：4302(BB公司)；AD538(AD公司)第30页，共42页。三、真有效值/直流转换器 (True RMS/DC Converters)应

16、用：非正弦信号的测量噪音(Acoustical Noise)的测量 生物医学信号(如EMGs)有效值的测量芯片：右图所示电路，R、C组成LPF，实现“均”即4341(BB公司)，带宽：450kHz（3dB）；AD637(AD公司)。带宽：8MHz，最大输出：7V RMS准确度：5mV0.2%；非线性误差：0.02%(02V输入)V1_+OAVYVZRm=1VOC显然第31页，共42页。四、平方根电路和除法器 (Square Root Circuits and Dividers)平方根电路V1_+IOAR1V10VORF实现平方根运算的其他方法，如取多功能转换器的指数m=0.5平方根电路要求输入

17、信号V1、V2为正(V10)，右图所示，在反馈中加入模拟乘法器。显然即除法电路V1_+IOAR1(V1、 V20 )VORFV2除法电路多功能转换器的指数m=1，亦可实现除法。第32页，共42页。五、峰值检测和采样保持电路(Peak Detectors & S/H Circuits)峰值检测的应用：OA2为高输入阻抗的跟随器。假设CH漏电流、D2反向电流、运放偏置电流均为零。生物医学中记录血压的最大值(收缩压)和最小值(舒张压)；峰值检测电路VoV1_+OA2CH+OA1D1D2RFR2RSTD3V2峰值检测器输出电压速率R2 、 D3用来克服D2的反向漏电流产生的误差。模拟开关用来复位VO

18、。CH数值过小，电容上的电压漂移大； CH大，dVO/dt变小。折中考虑， CH 取1nF0.1F.第33页，共42页。采样保持电路应用：A/D-C基本的S/H电路VoV1_+OA2CH+OA1RFVS运放的失调电流和模拟开关的漏电流要对电容充电，由此产生误差。问题：改进：法二：注入一与之反向的充电电流； 法一：引入两个保持电容，误差因素作用在其上的电压相抵。六、对数比、三角函数ICsLog Ratio ICK=1,2,3, 或5芯片：LOG100(BB)；AD757、AD640(AD)三角函数ICAD639第34页，共42页。10-6 电荷放大器(Charge Amplifiers)应用：压

19、电传感器的绝缘和调理，用于测量力、压力等；电容器存储的电荷的测量；电场强度的间接测量。一、用于压电传感器的电荷放大器压电传感器的电路模型电流源dP、电导GX和电容CX的并联，参数d与材料、晶体切割方向有关。dP(t)CXGX电荷放大器电路设运放为理想， GX、CX压降为零dP(t)CXGXVo_+IOACF第35页，共42页。一、用于测量电容器电荷的电荷放大器设运放为理想，测量C1上的Q1,t=0C1R1Vo_+IOACFt=0Q1S2S1t=0时， S1 闭合， S2 打开，在34倍时间常数 R1C1 后，因此，通过测量电压，可测小电容上的电荷。要求： C1放电电流要小于运放的灌电流能力。实际电路中的误差：(V)T：开关动作到读取VO之间的时间。实际中，选择合适的电路参数，可使VO相当小。第