重工院测控电路及装置课件02信号放大电路

第二章信号放大电路内容：运算放大器的误差及其补偿★典型测量放大电路★隔离放大电路7/23/20261重点：

1运算放大器的特性

2仪用放大电路难点：

1运算放大器的特性

2隔离放大电路7/23/20262引言测量放大电路的特点：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。何谓测量放大电路？7/23/20263引言测量放大电路的类型：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7/23/20264运算放大器的误差及其补偿实际运算放大器及其特性序号参数名称理想实际1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3输入阻抗∞100kΩ～数兆欧4输出阻抗010Ω～数百欧5带宽0～∞0～10Hz(或0～10kHz)7/23/20265运算放大器的误差及其补偿失调及其补偿输入失调电压特点：增益越大，输出失调电压越大!!!!!7/23/20266运算放大器的误差及其补偿失调及其补偿输入失调电流特点：反馈电阻越大，影响越大!!!!!通常10～100kΩ7/23/20267运算放大器的误差及其补偿失调及其补偿输入失调电压和输入失调电流的调整外部调整7/23/202687/23/20269运算放大器的误差及其补偿失调及其补偿输入失调电压和输入失调电流的调整内部调整特点：参考数据手册7/23/202610转换速率：最大变化速率：最大不失真频率：运算放大器的误差及其补偿转换速率和最大不失真频率特点：输出电压跟踪输入电压的能力(V/us)7/23/202611100Hz的方波信号7/23/20261210000Hz的方波信号7/23/202613OP07:0.3V/us7/23/202614LF353:13V/us7/23/202615典型测量放大电路测量放大电路的基本要求与类型测量放大电路的输入阻抗应与传感器输入阻抗匹配稳定的放大倍数低噪声低输入失调电压和输入失调电流，低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增益线性好，精度高成本低7/23/202616按结构原理分类差动直接耦合式调制式自动稳定式按制造方式分类分立元件结构形式通用集成运算放大器单片集成测量放大器7/23/2026177/23/202618uoR3uiR1R2∞-++N1典型测量放大电路反相放大电路特点：1、输入阻抗较低2、输入阻抗与增益之间的矛盾7/23/2026197/23/2026207/23/202621uoR3uiR1R2∞-++N1典型测量放大电路同相放大电路常用芯片：MAX4074,MAX4075,OPA2682,OPA36827/23/2026227/23/2026237/23/202624

差动放大器------是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。典型测量放大电路基本差动放大电路7/23/202625R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui1基本电路7/23/202626根据线性叠加原理：典型测量放大电路基本差动放大电路差模放大R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui17/23/202627典型测量放大电路基本差动放大电路共模抑制性能R3uoR4ud/2R1∞-++N1R2ud/2uic等效电路信号变换：7/23/202628共模抑制比:常用芯片：INA105,INA106,INA1177/23/202629

什么是高共模抑制比放大电路？ 用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。典型测量放大电路高共模抑制比放大电路7/23/202630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)。一般采用差动输入集成运放器来抑制它，但是必须要求外接电阻平衡对称、运算放大器具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。7/23/202631典型测量放大电路高共模抑制比放大电路CMRR对电路的影响7/23/2026327/23/202633典型测量放大电路高共模抑制比放大电路CMRR对电路的影响7/23/2026347/23/202635特点：***共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低典型测量放大电路高共模抑制比放大电路双运放高共模抑制比放大电路ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2反相串联结构型7/23/202636特点：****高的输入阻抗典型测量放大电路高共模抑制比放大电路双运放高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1同相串联结构型7/23/202637ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RP1R8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3特点：1、目前广泛应用的高共模抑制比放大电路2、N1，N2是两个性能一致的同相输入通用集成运放，构成平衡对称的差动输入级，N3构成双端输入单端输出级。典型测量放大电路高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路7/23/202638典型测量放大电路高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路7/23/202639结论：当输入级的两个运放性能一致时，该级差动输出及其增益只与差模输入电压有关。输入级的共模输出、失调及漂移均在R0两端相互抵消。单片集成运算放大器AD612,AD614典型测量放大电路高共模抑制比放大电路三运放高共模抑制比放大电路7/23/202640何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。

典型测量放大电路电桥放大电路应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、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，并用运算放大器作进一步放大，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。输入方式：单端输入双端输入7/23/202641Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++N反相输入特点：电桥电源是浮置典型测量放大电路电桥放大电路单端输入电桥放大电路7/23/202642特点：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，但电桥电源一定要浮置。输出电压与桥臂电阻的相对变化率是成非线性关系，只有当δ<<1时，才成近似按线性变化7/23/202643R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++N同相输入7/23/202644∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR特点：电桥的四个臂的电阻同时变化时，电路的放大倍数不是常量。桥臂电阻R与R1电阻的温度系数不一致时，增益也不稳定。适用于低阻值传感器，且精度要求不高。典型测量放大电路电桥放大电路差动输入电桥放大电路7/23/202645uoR3R2

=R（1+δ）R1uuaR1ub∞-++N目的：使输出电压与传感器电阻相对变化率成线性关系。典型测量放大电路电桥放大电路线性电桥放大电路7/23/202646原因：通常，传感器输出的信号电压在零到数毫伏范围内变化。因此，减少测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大是非常重要的。分类：通用集成运放组成的斩波稳零放大电路或自动调零放大电路低漂移单片集成运算放大器典型测量放大电路低漂移放大电路设计思想：将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它送到放大器输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压。7/23/202647典型测量放大电路高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路

自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。7/23/202648典型测量放大电路高输入阻抗放大电路高输入阻抗集成运算放大器的屏蔽7/23/202649a)同相交流放大电路uoR1R2C2C1R3∞-++ui典型测量放大电路高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路7/23/202650uouiR1R2C2C1R3∞-++b)交流电压跟随电路7/23/202651uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自举组合电路特点：测量放大电路的输入阻抗越高，输入端的噪声越大。输入阻抗应该与传感器输出阻抗相匹配。达到最大的信噪比。7/23/202652原因：电荷放大电路是一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。例子：压电式传感器或电容式传感器可将某些测量转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电路输出放大了的电压信号。因此，电荷放大电路也称为电荷---电压变换电路典型测量放大电路电荷放大电路7/23/202653典型测量放大电路电荷放大电路基本原理7/23/2026547/23/202655目的：方便地调整放大电路的增益,又不降低共模抑制比。调整方式：手动自动程控典型测量放大电路增益调整放大电路7/23/202656特点：由于R与增益之间是非线性关系，因此仅用于调整范围小于10%的场合。典型测量放大电路增益调整放大电路手动增益调整放大电路7/23/202657特点：自动改变放大器反馈电阻或输入回路衰减电阻典型测量放大电路增益调整放大电路自动增益调整放大电路7/23/202658特点：增益由程序逻辑控制分类：通用运放可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路集成可编程增益放大电路典型测量放大电路增益调整放大电路可编程增益放大电路7/23/2026597/23/2026607/23/2026617/23/2026627/23/2026637/23/202664隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。信号与电源的传递都通过变压器耦合或光电耦合。隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。隔离放大电路基本原理

7/23/202665－＋输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso隔离放大电路基本原理

特点：普通差动放大电路和测量放大电路，虽然也能抑制共模干扰，但不允许共模干扰电压超过电源电压。但隔离放大器不仅有很强的共模抑制能力，而且能够承受上千伏的高共模电压。7/23/202666a)变压器耦合浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋b)光电耦合浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV隔离放大电路基本原理

7/23/202667AD277变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1