模拟信号处理及变换2信号放大

东南大学电工电子实验中心堵国樑：

东南大学电工电子实验中心2信号放大精密运算放大器差动放大器仪表放大器电流检测放大器程控增益放大器高速运算放大器全差分放大器压控增益放大器对数放大器功率放大器类：功率运算放大器Class

AB

音频功率放大器Class

D音频放大器功率

驱动器信号放大东南大学电工电子实验中心3集成运算放大器：分为通用型、高输入阻抗型、高精度型、低漂移型、低功耗型等。放大类型：反相输入、同相输入和差动输入。—＋viR1Rfv0R/1vfiv

RA

v0

Rf—＋R1Rfv0R14东南大学电工电子实验中心vfiv

RA

v0

1

Rf信号放大1、差动放大电路差动放大器将两个输入端之间的电压差进行放大，而两输入端与其电源的参考点均不相连。差动放大器最+—vi1vi2R1R2适合电阻电桥信号的处理。RfR/V-V+v011i1ffRfR1

0v

v

vR

RR

RR/5东南大学电工电子实验中心/

vi

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R2

RR

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6ARnRPVO2V1VRF

2Rg1Rg

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RF1

RF

2

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2

RFRn

RPA

2(1

RF

)

RF2、增益可调整的差动放大器RF1RW

Rn东南大学电工电子实验中心7线性好、共模抑制比高、输入阻抗高、噪声低。东南大学电工电子实验中心3、测量放大器(仪表放大器)R1

R2，R3

R4，R5

R615o2RRR

R

R3

3

W(1 )(ui2

ui1)o2

o1

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)

u

R5

(u1RWW

2R

)uo1

uo2

ui1

ui

2

(Ri

ui1

ui2RW东南大学电工电子实验中心8INA128原理东南大学电工电子实验中心9仪表放大器作为桥路放大器应用举例东南大学电工电子实验中心10东南大学电工电子实验中心11应用运放IC应注意的事项(1)调零消除失调误差调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。现在的一些运放IC，其零漂系数已经做得很低，在实际应用中，如果放大倍数不是很大，输出的信号在允许范围内的话，或可以在后续的数字信号处理中能够消除零漂，运放的“调零”也不一定是必须的。(2)相位补偿消除高频自激相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容C（几十～几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在

进行了补偿，如μ

A741。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可。(3)过载保护使用运放时要注意，

过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。应用运放IC应注意的事项东南大学电工电子实验中心124、放大器技术是使模拟信号在发送时不存在穿越发送信号和接收端之间屏障的电流连接。允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。

可将信号分离到一个干净的信号子系统地，使传感器、仪器仪表或控制系统与电源之间互相，从而保证整个系统装置的工作安全、可靠及稳定。在另一种应用中，基准电平之间的电连接，可产生一个对于操作或不安全的电流通路——医疗仪器东南大学电工电子实验中心13模拟信号字信号。模拟信号通常先要考虑：精度或线性度、频率响应、噪声等。

然后是对电源的要求，电源要求高

、高精度、低噪声，特别是对输入级。也应该关注放大器的基本精度或线性度，不能依靠相应的应用电路来改善，但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。放大器，所考虑的电路参量完全不同于数4、东南大学电工电子实验中心14对于电源噪声的干扰，可以采用调制载波使模拟信号

这个屏障。如ISO4-20的两线无源信号放大器使模拟

简化。输入信号被占空比调制并以数字方式发送跨过屏障。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟信号并去掉调制/解调过程中固有的纹波成分。4、

放大器东南大学电工电子实验中心15仪表放大器只能承受有限的共模电压(一般约10V)，当共模电压较高时，一般要用

放大器。放大器在输入端和输出端之间提供

、放大功能，消除输入输出信号之间的耦合干扰。信号放大器的输入输出之间可采用变压器绕组的磁耦合、光电耦合或串联电容器耦合等办法实现。4、

放大器东南大学电工电子实验中心16变压器耦合放大器线性度高、

效果好。带宽较窄，1KHz以

积大，工艺复杂，成本高，常见的有AD202、AD210、AD277、3656和GF289等。东南大学电工电子实验中心1718光耦合放大器结构简单，成本低，带宽可达到60kHz，但线性度、性能和温度稳定性较差。常见型号：ISO100，BGF01。东南大学电工电子实验中心线性光耦的一个比较好的选择是使用线形光模拟信号耦。线性光耦的原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性的目的。东南大学电工电子实验中心19线性光耦市场上的线性光耦有几中可选择的 ，如公司的 R200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。和R201的结构完全相同，差别在于一些指标上。相对于HCNR200，HCNR201提供更高的线性度。东南大学电工电子实验中心20HCNR200/201进行

的一些指标：线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；线性系数K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；温度系数：-65ppm/oC；电压：1414V；信号带宽：直流到大于1MHz。线性光耦东南大学电工电子实验中心21线性光耦东南大学电工电子实验中心22放大器符号外形封装(ISO124

放大器)放大器东南大学电工电子实验中心23主要应用领域：模拟信号

，传输及供电，工业现场信号传输及变换，地线干扰抑制，信号

无失真传输，仪器仪表与传感器变换。电力设备及医疗仪器安全信号的栅。东南大学电工电子实验中心24产品体系：ISO

4-20mA系列———两线无源4-20mA信号隔离调理ICISO-Ax-Px-Ox系列———直流电流信号（I/VI/I）

放大器ICISO-Ux-Px-Ox系列———直流电压信号（V/IV/V）

放大器ICISO1001

/1002系列———直流双向或交流信号放大器IC东南大学电工电子实验中心25两线无源4-20mA放大器原理框图东南大学电工电子实验中心26ISO

1001系列电压输出内置电源放大器原理框图东南大学电工电子实验中心27ISO

APO系列电流输出内置电源放大器原理框图东南大学电工电子实验中心28放大器应用测量电桥输出的差分小信号输入：0~±25mV电桥差分小信号输出：0~±10V

DC

信号A1、A2和输入放大器组成一个数据放大器，

取R=

100K RG=5K

则数据放大器的放大倍数为

Kin=100/5=20。

电路其它元件选择：取

R1=5.1K

R2=2KW2=2K（多圈电位器）取

R3=39K

W3=10K（多圈电位器）东南大学电工电子实验中心29放大器应用东南大学电工电子实验中心305、电流检测放大器电流检测：通过测量置于电流路径上的电阻上的压降来监视电流的电路（尽管存在着其它技术，例如磁相关技术，但这里的仅限于并联电阻电流测量）。并联电阻测量电流的方法主要有两种，高侧和低侧。低侧测量方法直接简单,它通过在A点处测量电流经过置于负载和地之间的电阻时所产生的压降来检测电流高侧电流测量技术通过测量A点和B点间电流经过置于电源和负载间的电阻时所产生的压降来测量电流东南大学电工电子实验中心31东南大学电工电子实验中心326、程增益放大器(PGA)可编程增益放大器(PGA)是极为通用的

输入放大器，提供了数字控制增益以改善精度，扩展动态范围。单输入类型的放大器可实现与多种不同的传感器或信号的连接。在处理器控制时，可变的增益大大的扩展了系统的动态范围。所有的PGA系列放大器都兼容TTL或CMOS电平的输入，从而更易于与微控制器相连接。可以把程控增益放大器看作电阻选通网络内置的电压反馈放大器，因此，它的带宽随着放大倍数的增大而降低。东南大学电工电子实验中心33东南大学电工电子实验中心34东南大学电工电子实验中心357、功率放大器和缓冲放大器功率损耗：功率损耗决定了该采用何种封装类型及尺寸，以满足散热的需要。从而使器件处于额定的工作范围内，确保了功率放大器的可靠性。部分功率放大器内置了过热及过电流保护。全功率带宽(FPBW)：或称大信号带宽，使用高转换速率的功率放大器能获得更高的全功率带宽。电流限制：需要注意额定工作范围所规定的电源电压与输出电流之间的关系。供电电压及负载都必须适当选择以避免达到过热限或电流过载限。热关断：当温度达到特定值时，内置的热感应及掉电(shut-off)会自动关断放大器。东南大学电工电子实验中心368、脉宽调制(

)功率驱动器脉宽调制()功率驱动器专为在低电压至中等幅度的高压（范围从5V至60V）时需求大电流的应用而设计。此类应用的负载包括了电子机械式负载，例如螺线管、线圈、制动器及继电器。产品集成了功率晶体管，与非集成的分离式的执行相比，节约了可观的电路板面积。与线性驱动器的

不同，脉宽调制

的效率高达90%，有效地降低了功率浪费和热耗散，降低了对电源的要求。东南大学电工电子实验中心37东南大学电工电子实验中心38东南大学电工电子实验中心39东南大学电工电子实验中心409、精密对数放大器对数放大器是多用途集成电路，可计算出输入电流相对于基准电流的对数值，或是两个输入电流比值的对数。对数放大器可将一个极为宽广输入动态范围（可高达10的八次方）压缩至一个易于测量的电压范围。精确匹配的双极型晶体管确保了大输入电流范围