现代电子技术及应用第二章放大电路

现代电子技术及应用第二章放大电路1第一页，共五十页，编辑于2023年，星期日第一次实验情况2第二页，共五十页，编辑于2023年，星期日3第二章信号放大电路放大电路基本知识集成运算放大器专用（传感）信号放大器（一）仪表放大器（二）隔离放大器（三）可变增益放大器（四）电桥放大器（五）传感放大器（六）低漂移放大器（七）宽带高速放大器第三页，共五十页，编辑于2023年，星期日4放大电路基本知识类型：

电压、电流、互阻、互导性能指标：

输入电阻/输出电阻、增益、频率响应及带宽、非线性失真负反馈（1927年，贝尔实验室，HaroldBlack，渡船）概念（深度负反馈）影响：改善失真（线性（扩展带宽）/非线性）降低灵敏度（提高稳定性）改变输入输出阻抗不能提高信噪比四种负反馈（书）第四页，共五十页，编辑于2023年，星期日5集成运算放大器电子电路的基本器件！60年代初，仙童（Fairchild)，741，工业标准性能优异近似理想特性，如电压增益高（80-140dB）实现信号源、放大器和负载的直接耦合连接输入零电平输出也是零电平低频响应扩展到直流工艺（双极型、MOS、BiMOS等）通用/专用第五页，共五十页，编辑于2023年，星期日6集成运算放大器总体结构＋－u-－u+uo国际符号：第六页，共五十页，编辑于2023年，星期日7通用型集成运放741LARGEINPUTVOLTAGERANGE.NOLATCH-UP.HIGHGAIN.SHORT-CIRCUITPROTECTION.NOFREQUENCYCOMPENSATIONREQUIREDTheUA741isahighperformancemonolithicoperationalamplifierconstructedonasinglesiliconchip.Itisintentedforawiderangeofanalogapplications.(.Summingamplifier.Voltagefollower.Integrator.Activefilter.Functiongenerator)Thehighgainandwiderangeofoperatingvoltagesprovidesuperiorperformancesinintegrator,summingamplifierandgeneralfeedbackapplications.Theinternalcompensationnetwork(6dB/octave)insuresstabilityinclosedloopcircuits.第七页，共五十页，编辑于2023年，星期日8AB电路图第八页，共五十页，编辑于2023年，星期日91.偏置电路：T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：

其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流的大小比例为1:3。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。电路分析1第九页，共五十页，编辑于2023年，星期日102.输入级：T1、T2和T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。

T3

和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。电路分析2第十页，共五十页，编辑于2023年，星期日113.中间级：T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。T14和T20管组成互补对称输出级，恒压源电路T18、T19和R8为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22管和R10保护T20管在负向电流过大时不致烧坏。4.输出级：电路分析3第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日12电路分析4频响校正电容:唯一，30pF消除自激振荡输入失调调零电位器：20K微调T5、T6发射极电流，使运放输入0，输出0一般不接（破坏平衡、热平衡特性差增加温漂）第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日13

1.输入失调电压UIO

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。

2.输入失调电压温漂

dUIO/dT

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。集成运算放大器的主要参数1第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日14

4.输入失调电流

IIO

：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

3.输入偏置电流IIB

：

输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调电流温漂dIIO/DT:

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。主要参数2第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日156.最大差模输入电压Uidmax

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压Vicmax

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。主要参数3第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日16主要参数4

8.开环差模电压放大倍数

Aod

：

无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

9.差模输入电阻rid

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日17

12.全功率带宽

FBPW

：

运放的闭环电压增益为1，输入正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受SR限制。

11.转换速率SR(压摆率)：额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。普通为1V/us。主要参数5

13.建立时间ts：

闭环增益1，一定负载，阶跃输入信号，运放输出电压达到特定值范围所需时间。

14.等效输入噪声电压UN：

普通输入噪声电压有效值为10－20uV。

第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日18主要参数6

15.开环带宽

SW

：

开环增益从直流增益下降3dB所对应的信号频率

16.单位增益带宽GB

：

闭环增益为1，正弦小信号驱动，闭环增益下降3dB所对应的信号频率

17.增益带宽乘积GBW

：

GBP=Afb

通常为定值。(同相741为1MHz)

开环--闭环第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日19运放分析基础理想运算放大器理想参数（Ao、rid、BW--∞

)(Ib、

rod--0）虚短/虚断运放的基本连接（书p62-p64）同相放大器（跟随器）反向放大器差动放大器?电源？电流？输出电压？书，作业第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日20例题设，，，μA741为例，V/V，，，则同相放大电路理想输出电压？实际输出电压？输入阻抗输出阻抗？第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期日21输入串联/并联反馈会增加/减小输入电阻输出串联（电流）/并联（电压）反馈会增加/减小输出电阻

跟随器反向差动仪表列表总结集成运算放大器的反向、同相、差动输入（直流和交流）的特性。第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日22集成运放使用注意加电源（怎么加？）有电流[正负电源间（静态电源电流），mA；

输出与负电源间]功耗，mW静态限制：输入偏置电流/输入失调电流；输入失调电压；输入电压范围；输出饱和（rail-to-rail）动态限制：开环；闭环；暂态响应（上升时间/转换速率）第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日23放大器自激振荡的解决方法电阻（一般小于兆欧）电源滤波运放电源引脚加滤波电容（0.1uF，非卷绕独石电容或瓷片电容）电容紧靠电源引脚，接地点接在一起并尽可能靠近本级运放电路的参考接地点特别敏感的电路（如前置放大器），供电电源单独从电源引出，并单独RC或LC滤波。布线工艺第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日24增益带宽积例:用741设计一个增益为60dB的音频放大器.

音频:20k增益1000GWP=?扩频带，两级同向放大级联实验？

第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日25（一）仪表放大器应用信号源内阻变化输入信号有强共模成分（工频干扰等）数据采集系统、电桥、热电偶、生物探针及温度传感器的放大电路特性高输入阻抗1010Ω高共模抑制比增益调节方便精度高、稳定性好第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日26仪表放大器原理要求A1=A24个R相等G=1+50Kg/Rg第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日27仪表放大器应用注意1输入偏置（a）高源电阻（石英话筒、水下超声探测器等）（b）低源电阻（热电偶等）（c）对称结构第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日28仪表放大器应用注意2有源信号屏蔽（输入信号保护）(双线，交流传输)高输入阻抗，分布电容提高共模抑制比AD620，IN128，IN114第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日29仪表放大器应用注意3输出偏置第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日30仪表放大器应用注意3（续）第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期日31（二）隔离放大器输入输出隔离高共模电压叠加微弱传感器信号接地不良耦合（大分布电容、浮地、对地高阻抗，）长导线耦合工频地线（参考点）存在电位差，地线环流！隔离放大器输入差分源对地阻抗高传输线长或与工频电源线近距离平行为了安全，两设备必须分别接地传感器与强带电体直接接触或绝缘强度不高被测对象很弱（病人、活细胞等）－＋第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日32隔离放大器隔离放大器抵御高共模电压原理第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日33隔离放大器2隔离放大器抑制地线环流原理第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日34隔离放大器3磁耦合隔离（最“古老”，带宽窄，耐压一般）调制与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能输出级是对信号进行解调，滤波与放大内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。光电耦合隔离（应用广泛）光信号传送耦合，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用（模拟量线性和精度差）线性光耦隔离放大器件(开关量可靠传递)数字隔离（1）PWM的调制及解调方式（2）V/F方式电容耦合隔离（频率调制，先进）输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。

第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日35隔离放大器4性能综合对比：

耦合方式传送精度噪声滤波结构复杂度传送距离变压器耦合中需要高短电容耦合较好需要高短线性光电耦合较好不需要中短第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期日36（三）可变增益放大器同相可变增益原理/电路反相可变增益原理/电路程控可变增益模拟开关（如4051）（精度不高）D/A芯片（如DAC0832)（单路，频响不高）集成电路（如AD624，单路)

（如PGA100,多路）第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期日37DAC控制程控增益放大器第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期日38传感器基本概念组成分类能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.

（电阻、电容、电感，一般接电桥）能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.

（输出电压、电流、电荷，一般接放大器）敏感元件转换元件测量电路非电量输出电量电量可转换为电量的非电量第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期日39（四）电桥放大器电桥单电桥双电桥全电桥桥式差分放大器浮地电源（电池）Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相输入R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相输入第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期日40三运放仪用放大器线性电桥放大器

R1=R2,R3=R4,R8=R9=R11=RRx=R(1+x),当(1+2R5/R)*(R1/R10)=1时Vo=(1+2R5/R)*(Vs/2)*x第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期日41（五）传感放大器（一）电压信号放大（霍尔器件）例：同相放大，Rs=1MΩ，Rp开路，放大器K=50，Ri=1MΩ，放大器偏置电流1nA，求传感器输出电压1mV时，放大器输出电压？解：1）放大器偏置电流经传感器内阻产生1nA*1MΩ=1mV的电压，加在放大器的输入端，经放大，输出50mV（零输入时输出电压）。

2）传感器的输出电压经传感器输出电阻和放大器输入电阻分压，加在放大器的输入端，经放大，输出25mV。

3）结论：小于零点电压！所以当传感器输出阻抗高时，一定选用输入阻抗高，偏置电流小的放大器！第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期日42（五）传感放大器（二）电流信号放大（光敏二极管）光电流模式光电导模式（无霰弹噪声，精密）（减小节电容，高速）第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期日43（五）传感放大器（三）交流电荷放大器（压电传感器）灵敏度与电缆长度无关！第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期日44（五）传感放大器频率特性下限频率上限频率电缆分布电容、杂碎电容（10pF*1000m=0.01uF）运放开环频率响应注意：Cf不能太大，否则增益太小，Rf也不能太大传感器工作在交变状态，f>fL

，交流电荷放大器准直流电荷放大器——自举高输入阻抗放大器第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期日45（五）传感放大器频率特性例：SYC4000石英压力传感器：

Rs>1013Ω,Cs=

2.6-4.5pF,A0=105,Ri=1012Ω,Ci=

4

pF,Cc=

5.5pF,Cf=

10pF,IIB=