测控电路-2第二章2解读

RS1
ui1 C1
a 差动
ui2 C2
放大器 b
uo
RS2
其共模抑制比的幅值为： CMRR
1
| RS 2C1 RS 2C1 |
高共模抑制比放大电路
共模电压自举（输入保护技术）
∞
ui1 ui2
+ -
+ N1
R1
RP
∞
+
N2+
R2
R4
R0 uc R0
R3 R3
+
∞ N3+
R4
uo
高共模抑制比放大电路
反相放大器
同相放大器
差动放大器
第二章 信号放大电路
（五）高共模抑制比放大电路
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。
高共模抑制比放大电路
1）双运放高共模抑制比放大电路
号与输入信号的比值 。 共模增益Kc :共模增益指共模信号输入时,其输出信
号与输入信号的比值 。
第二章 信号放大电路
序号 参数名称
1 差模增益
2 共模增益
3 输入阻抗
4 输出阻抗
5
带宽
理想
实际
∞
90~100dB以上
0
0dB以上
∞
100k欧~数兆欧
0
10欧~数百欧
0~∞ 0~10Hz（或0~10kHz）
高输入阻抗,易受干扰 共模误差大
R1
i- - ∞
+
uo
i1
+ N1
i+
R3
ui
运算放大器虚短，虚断的特点 基尔霍夫定律，结点电压法 同相，反相放大器闭环增益
第二章 信号放大电路
输入失调电压u0s :是使输出电压为零时，在输入端所加的补偿 电压。 U0s越小,表明电路参数对称性越好。
输入失调电流I0s :当输出电压为零时,差分输入级的差分对管基 极的静态电流之差 。即Ios=∣IB2-IB1∣ I0s越小，运放质量越好。
第二章 信号放大电路
集成运放的基本结构
简单的集成运放电路：
Rc1
Rc2
反 相 输入 端
u- +
u ++
同 相 输入 端
T1 T2 Is
输入级
Rc3 T3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中间级
++ VCC T4
u+ o
T5
+- VEE
输出级
第二章 信号放大电路
几个重要术语 开环增益K: 在集成运放无外加反馈时的放大倍数。 闭环增益Kf :在集成运放加反馈时的放大倍数。 差模增益Kd :差模增益指差模信号输入时,其输出信
交流反相放大电路
R2
Kf= –R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡
ui C1 R1
-∞ +
uo
+ N1
C3R3>C1R1
R3
抑制高噪声
平衡输入偏置电流
第二章 信号放大电路
（三）同相放大器
主要应用理论：理想运放的“虚短”、“虚i2断”R2
Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 // R2 uo = （1+R2 / R1）ui
)
ui2 ui1
kd
uo2 ui 2
uo1 ui1
(1
R1 R2 ) RP
uo=(uo2-uo1) R5/R3
三运放高共模抑制比放大电 路
高共模抑制比放大电路
3）有源屏蔽驱动电路 Rs1 C1 ≠ Rs2 C2, jωRs1C1uic, jωRs2C2uic a,b两端的共模信号分别为 uic (1- jωRs1C1uic),(1- jωRs2C2uic)
Uo2 K2 (Ui U0s2 ) Kc2Uc K '2UC 2
UC2＝Uo2≈(K2U0s2+Kc2Uc)/K2＇。 此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共 模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。
斩波稳零集成运算放大器
校零和放大阶段：
N2的输出Uo2通过开关Sb2由电容C1寄存，同时 还输入至N1的侧向输入端A1进行放大，此时： Uo=K1(Ui +U0s1)+Kc1Uc +K1’ Uo2 因为 Uo2=K2Ui 此时， Uo=(K1+ K1’K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。
第二章 信号放大电路
目前主要采用集成运放组成信号放大电路。
集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合 的器件。以半导体单晶硅为芯片。采用专门 的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、 电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成 的完整电路制作在一起。封装并引出管脚， 使之具有特定功能。
集成运放是一种输入阻抗高、输出阻抗低、 电压放大倍数非常大的多级直接耦合放大器。
Uo2 K2U0s2 Kc2Uc K '2Uo2
K2＇ >>1 UC2＝Uo2≈(K2U0s2+Kc2Uc)/K2＇。
斩波稳零集成运算放大器
校零和放大阶段： 时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作 用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外， 在侧向端A2还作用着UC2.
1、反相串联结构型
uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2
R2
当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时， ui1 R1
∞
+
R4
uo=0
+ N1 R3=R1∥R2 R5
ui2
R6
∞
+
uo
+ N2
R7 =R4∥R5∥R6
为使ui1和ui2的负载相同，通常取R1=R5，R2=R4
高共模抑制比放大电路
应用于何种场合?
经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感 器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。
第二章 信号放大电路
（六）低漂移放大电路
为减小集成运算放大器的失调和低频干扰引起 的零点漂移，可采用通用集成运算放大器组成 的斩波稳零放大电路或者自动调零放大电路， 也可采用低漂移单片集成集成运算放大器。
C1
Uos2 - N- 2+
Sa2 C2
A2
外时钟输入 时钟输出
Sa
G
Sb
内部调制 补偿电路
箝位电路
斩波稳零集成运算放大器
误差检测和寄存阶段：
时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输 入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存， 同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时
2、同相串联结构型
ui2
uo1=(1+R2/R1) ui1
(uo1–ui2)/R3= (ui2–uo)/R4
ui1
uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1
uo
(1
R2 R4 R1R3
)uic
1 (1 2
2R4 R3
R2 R4 R1R3
)uid
为了获得零共模增益，可取
R1/R2=R4/R3。
∞ +
+ - N2
∞ ++ - N1
uo R4
R3 uo1 R2
R1
2）三运放高共模抑制比放大电路
∞
ui1
+ + uo R3
R5
- N1 1 R1 IR RP
R7
∞
-
RP
1
+ + N3
uo
-∞
R2
+
R8 R6
ui2
+ N2 uo2 R4
uo2
uo1
(1
R1 R2 RP
b) 误差保持
Sa2导通，电路处于失调调零 状态，见图b。可推出：
Uc1＝－（Uo1＋U0s2）K2 Uo1＝（－U0s1＋Uc1）K1
Uc1≈U0s1 电容C1寄存了运算放大器N1的
失调电压U0s1。
自动调零放大电路
当N3输出低电平，Sb1、Sb2导
R2
通，电路进入信号放大状
Ui R1
- K1
Uo
斩波稳零集成运算放大器
Uo=(K1+ K1’K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc （ K1’ ≈K1，K2>>1）
开环放大倍数近似为K1’K2，电路增益大大提高， 可达140~160dB。
整个集成运算放大器的失调电压U0s 相当于把
N1的输入失调电压缩小至1/ K2 。
整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR比 N1的共模抑制比CMRR1提高K2倍。
④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的 漂移；
⑤足够的带宽和转换速率； ⑥高共模输入范围和高共模抑制比； ⑦可调的闭环增益； ⑧线性好、精度高；
⑨成本低。
第二章 信号放大电路
二、典型放大器的设计
主要应用理论：理想运放的“虚短”、“虚断”
（一）反相放大器
i2
R2
Kf= uo / ui = –R2 / R1 ri=R1 R3= R1 // R2
UOS1 + N1 +
C1
UC1
c) 调零放大输出
态，见图c。可推出：
UO
U i
R2 R1
U0s1K1
UC1K1
R2 R1
U1
实现了对失调电压的校正，
达到了自动调零的目的。
自动调零放大电路
电路特点：
输出电压较稳定； 其失调和低频干扰降低了三个数量级，波动小； 电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟开
零点漂移：是指当放大器的输入端短路时,在输出端有不规律的、 变化缓慢的电压产生的现象 。越小越好。
输入失调电压和输入失调电流实测
R1
R2
R3
∞
N
V
R3
R1
输入失调电压和输入失调电流的调整
+15V
R4
Rp
i3
R2
-15V
ua
i2
Ui
R1
∞
Uo
i1
N
R3
第二章 信号放大电路
（四）差动放大器
差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算 放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出 端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个 信号的共模成分。
第二章 信号放大电路
一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？
1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电 压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路， 亦称仪用放大电路。
2、对其基本要求：
①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； ②一定的放大倍数和稳定的增益； ③低噪声；
第二章 信号放大电路
第二章 信号放大电路
共模抑制比: CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模 信号的抑制能力。
输入偏置电流: 对于双极型集成运放，静态时输入级 两置差电放 流管 ，基 用极IIB电表流示I。B1和IB2的平均值，称为输入偏 输入偏置电流越小，信号源内阻变化引起的输出电 压变化也越小，一般为10 nA～1 μA。
差动放大器
i2 R2
R2
ui1 R1
R3 i1 ui2 i3
R4
-∞ +
+ N1
i4
uo
ud/2 R1 R3
-∞ +
+ N1
uo
uic ud/2 R4
基本电路
R2/R1=R4/R3 共模与差模输入
传感器的输出信号通常伴随很大的共模电压 (包括干扰电压)。一般采用差动输入集成运算 放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完 全平衡对称、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。
什么是有源屏蔽驱动电路？
将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的 同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输 出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的 两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输 入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间 的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。
第二章 信号放大电路
输入失调电压u0s :是使输出电压为零时，在输入端所加的补偿
电压。
U0s越小,表明电路参数对称性越好。
输入失调电流I0s :当输出电压为零时,差分输入级的差分对管 基极的静态电流之差 。即Ios=∣IB2-IB1∣ I0s越小，运放质量越好。
零点漂移：是指当放大器的输入端短路时,在输出端有不规律 的、变化缓慢的电压产生的现象。零点漂移越小越好。
第二章 信号放大电路
1）自动调零放大电路
Ui
Sb1 #
R1
# Sa2 C1
R2
-+NK1+1 #
Sa1
-+N∞3+
+-NK22+
#
Uo
Sb2
∞ -+N4+
a) 电路原理图
时钟发生器
自动调零放大电路
由图a，当N3输出高电平，Sa1、
R2
R1
u0s1
+
K1 N1+
UC1 C1
Uo1
u0s2
-+NK22+
R1
ui
i1
i- - ∞ +
+ N1
uo
uo = –（R2 / R1）ui ＝ －Kf ui
i+
R3
第二章 信号放大电路
反相放大器 特点:
1.低输入阻抗,稳定性好 2.共模输入电压小 设计特殊注意事项:
保证一定增益的情况下提高输入阻抗 (可以取变形形式)
第二章 信号放大电路
（二）交流放大器
C3
CAZ运算放大器
C1
C1
+输入 －输入
G
+-N∞1+ ∞R2
+-N2+R2
+输入 输出 －输入
G
+-N∞1+ ∞R2
+-N2+R2
输出
C2 a) N2处于自动校零状 态
C2 b) N1处于自动校零状态
2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)
∞
+
Ui
Uos1 - N+1+
Uo
Sb1A1
Sa1
+ ∞ Uo2 Sb2
关CD4066即可组成）； 适用于毫伏级的低电平放大。
2）低漂移单片集成运算放大器
1、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器） 什么是CAZ运算放大器？
CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大 器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个 性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和 自动校零两种不同的状态。