电子信息系统中常用放大电路

本文格式为Word版，下载可任意编辑——电子信息系统中常用放大电路第八章电子信息系统中常用放大电路引言在电子信息系统中，往往需要将通过传感器或其它途径所采集的小信号举行放大才能举行运算、滤波等处理，往往也需要将信号举行转换或进一步放大或功率放大。

本章将介绍几种常用的预处理放大电路、信号转换电路、功率放大电路、集告成率放大电路及锁相环在信号转换电路中的应用。

8.1预处理放大电路8.1.1仪表用放大器集成仪表用放大器，也称为细致放大器，用于弱信号放大。

一、仪表用放大器的特点在测量系统中，通常都用传感获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后举行放大。因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言，信号源内阻是变量，根据电压放大倍数的表达式可知，放大器的放大才能将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就务必使得放大器的输入电阻＞＞，愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。

此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模片面，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的才能。

综上所述，仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。

二、根本电路集成仪表用放大器的概括电路多种多样，但是好多电路都是在图8.1.1所示电路的根基上蜕变而来。根据运算电路的根本分析方法，在图8.1.1所示电路中，，，因而所以输出电压(8.1.1)设，那么(8.1.2)当，由于，中电流为零，，输出电压。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

三、集成仪表用放大器图8.1.2所示为型号用INA102（AD8221）的集成仪表用放大器，图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由和组成，与图8.1.1所示电路中的和对应，电阻、和与图8.1.1中的对应，、与图8.1.1中的对应，其次级电路的电压放大倍数为1。INA102的电源和输入级失调调整引脚接法如图8.1.3所示，两个电容为去耦电容。变更其它管脚的外部接线可以变更第一级电路的增益，分为1、10、100和1000四种处境，接法如表8.1.1所示。

INA102的输入电阻可达，共模抑制比为100dB，输出电阻为，小信号带宽为300kHz；

当电源电压±15V时，最大共模输入电压为±12.5V。

表8.1.1INA102集成仪表用放大器增益的设定增益引脚连接增益引脚连接16和71003和6和7102和6和710004和7，5和6四、应用举例图8.1.4所地为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为辨识率为0.1。电路由三片面组成，如图中所标注。图中、、D和构成测量电桥，D为温度测试元件，即温度传感器。电桥的输出信号接到集成信表放大器INA102的输入端举行放大。构成的电压跟随器，起隔离作用。电压对比器驱动电压表，实现数字化显示。

设放大后电路的灵敏度为,那么在温度从时，输出电压的变化范围为2V，即从-0.5～+1.5V。当INA102的电源电压为±18V时，可将INA102的引脚②、③、④连接在一起，设定仪表放大器的电压放在倍数为10，因而仪表放器的输出电压范围为-5～+15V。根据运算电路的分析方法，可以求出、输出电压的表达式为(8.1.3)变更滑动端的位置可以变更放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。

8.1.2电荷放大器某些传感器属于电容性传感器，如压电式加速度传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗分外高，呈容性，输出电压很微弱；

它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。

积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如图8.1.5所示。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势与一个输出电容串联，如图中虚线框内所示。、和电容上的电量q之间的关系为(8.1.4)在梦想运放条件下，根据“虚短”和“虚断”的概念，为虚地。将传感器对地的杂散电容C短路，消释因C而产生的误差。集成过放A的输出电压将式（8.1.4）代入，可得（8.1.5）为了防止因长时间充电导致集成运放饱和，常在并联电阻，如图8.1.6所示。并联后，为了使＜＜，传感器输出信号频率不能过低，f应大于。

在实用电路中，为了裁减传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内；

而为了防止传感器在过载时有较大的输出，那么在集成运放输入端加养护二极管；

如图8.1.6所示。

8.1.3隔离放大器在远距离信号传输的过程中，常因强干扰的引入使放大电路的输出有着很强的干扰背景，甚至将有用信号吞噬，造成系统无法正常工作。将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器。它既可切断输入侧和输出侧电路间的直接联系，制止干扰混入输出信号，又可使有用信号畅通无阻。

目前集成隔离放大器有变压器耦合式、光电耦合式和电容耦合式三种。这里仅就前两种电路简朴加以介绍。

一、变压器耦合式变压器耦合放大电路不能放大变化缓慢的直流信号和频率很低的交流信号。在隔离放大器中，在变压器的输入侧，将输入电压与一个具有较高固定频率的信号混合（称为调制）；

经变压器耦合，在输出侧，再将调制信号恢复成原信号（称为解调），然后输出；

从而达成传递直流信号和低频信号的目的。可见，变压器耦合隔亢放大器通过调制和解调的方法传递信号。调制和解调技术广泛用于无线电播送、电视发送和接收以及其它通信系统之中。

图8.1.7所示为型号是AD210的变压器耦合隔离放大器，其引脚及其功能如表8.1.2所示，为了阅读便当，表中引脚号与图8.1.7所示对应。

图中为输入放大电路，可以同相输入，也可以反相输入，分别构成同相比例运算电路或反相比例运算电路，从而设定整个电路的增益，增益数值为1～100。的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合，然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路恢复，结果通过构成的电压跟随器输出，以巩固带负载才能。振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，经电源电路变换为直流电，为和调制电路供电；

振荡器的输出通过变压器耦合输出侧，经电源电路变换为直流电，为和解调电路供电；

而振荡器由外部供电。

表8.1.2AD210变压器耦合隔离放大器的引脚及其功能引脚号功能引脚号功能16输入放大电路的输出端用于接入反应1电路输出端17反相输入端2输出侧公共端19同相输入端3输出侧正电源18输入侧公共端4输出侧负电源14输入侧正电源29外接的电源电压15输入侧负电源30外接电源的公共端由此可见，输入侧、输出侧和持荡器的供电电源相互隔离，并各自有公共端。这类隔离放大器称为三端口隔离电路，其额定隔离电压高达2500V。此外，还有二端口电路，这类电路的输出侧电源和振荡器电源之间有直流通路，而它们与输入侧电源相互隔离。

在变压器隔离放大器中，变压器的制作，应采用完量降低匝电容、使绕组严格对称、在初、次级间加屏蔽等工艺手段来减小外界磁场的影响，巩固隔离效果。

二、光电耦合式图8.1.8所示为型号是ISO100的光耦合放大器，由两个运放和、两个恒流源和以及一个光电耦合器组成。光电耦合器由一个发光二极管LED和两个光电二极管和组成，起隔离作用，使输入侧和输出侧没有电通路。两侧电路的电源与地也相独立。

ISL100的根本接法如图8.1.9所示和为外接电阻，调整它们可以变更增益。若和所受光照一致，那么可以证明8.1.4放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施在微弱信号放大时，干扰和噪声的影响不容忽略。因此，常用抗干扰才能和信号噪声比作为性能指标来衡量放大电路这方面的才能。

一、干扰的来源及抑制措施较强的干扰往往来源于高压电网、电焊机、无线电放射装置（如电台、电视台等）以及雷电等，它们所产生的电磁波或尖峰脉冲通过电源线、磁耦合或传输线间的电容进入放大电路。

因此，为了减小干扰对电路的影响，在可能的处境应远离干扰源，必要时加金属屏蔽罩；

并且在电源接入电路之处加滤波环节，通常将一个的钽电容和一个独石电容并连接在电源接入处；

同时，在已知干扰的频率范围的处境下，还可在电路中加一个适合的有源滤波电路。

二、噪声的来源及抑制措施在电子电路中，因电子无序的热运动而产生的噪声，称为热噪声；

因单位时间内通过PN结的载流子数目的随机变化而产生的噪声，称为散弹噪声；

上述两种噪声的功率频谱均为平匀的。此外，还有一种频谱集中的低频段且与频率成反比的噪声，称为闪烁噪声或1/f噪声。晶体三极管和场效应管中存在上述三种噪声，而电阻中仅存在热噪声和1/f噪声。

若设放大器的输入和输出信号的功率分别为和，输入和输出的噪声功率为和，那么噪声系数定义为或(8.1.6)由于，故可以将式（8.1.6）改写为(8.1.7)在放大电路中，为了减小电阻产生的噪声，可选用金属膜电阻，且制止使用大阻值电阻；

为了减小放大电路的噪声，可选用低噪集成运放；

当已知信号频率范围时，可加有源滤波电路；

此外，在数据采集系统中，可提高放大电路输出量的取样频率，剔除奇怪数据取平均值的方法，减小噪声影响。

8.2信号转换电路8.2.1电压-电流转换电路在操纵系统中,为了驱动执行机构，如记录仪、继电器等，常需要将电压转换成电流；

而在监测系统中，为了数字化显示，又常将电流转换成电压，再接数字电压表。在放大电路中引入适合的反应，就可实现上述转换。

一、电压-电流转换电路图8.2.1所示为实现电压-电流转换的根本原理电路。由于电路引入了负反应，,负载电流（8.2.1）与成线性关系。由于图8.2.1所示电路中的负载没有接地点，因而不适用于某些应用场合。

图8.2.2所示为实用的电压-电流转换电路。由于电路引入了负反应，构成同相求和运算电路，构成电压跟随器。图中，因此（8.2.2）将式（8.2.2）代入上式，，上的电压所以（8.2.3）二、电流-电压转换电路图8.2.3所示为电流-电压转换电路。在梦想运放条件下，输入电阻，因而，故输出电压（8.2.4）应当指出，由于实际电路的不成能为零，所以比大得愈多，转换精度愈高。

8.2.2细致整流电路将交流电转换为直流电，称为整流。细致整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出留存输入电压的外形，而仅仅变更输入电压的相位。当输入电压为正