测控电路第02章信号放大电路

∞
ui1
+ +
- N1
uo R3 1 R1
R7
IR
RP
RP
1
R5 ∞
+
+ N3
uo
-∞
R2
+
R8 R6
ui2
+ N2 uo2 R4
IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rp
uo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rp
第二章 信号放大电路
四、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
（一）双运放高共模抑制比放大电路
1、反相串联结构型
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，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
此时， Uo=(K1+ K1’K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 问题： ﹡该电路的增益是如何提高的？ ﹡该电路的输入失调电压是如何减小的？ ﹡该电路的共模抑制比是如何提高的？ ﹡该电路有哪些优点？
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。
高共模抑制比放大电路
（四）浮动电源共模自举式放大电路
ui +E
1
∞
+ -
N1+
uA
∞-
A +N3+
-E ui2
+
∞ N2+
u1
RP R0 uc R0
u2
∞ +-N4+
∞
+ -
N5+
uo
第二章 信号放大电路
第二章 信号放大电路
（二）自动调零放大电路
R2
Ui
Sb1 #
# Sa2
R1 C1
-+NK1+1 #
Sa1
- + N∞ 3 +
+-NK22+
#
Uo
Sb2
- + N∞ 4 +
a) 电路原理图
R2
R1
+-NK11+ Uo1 -+NK22+
UC1
C1
b) 误差保持
R2
Ui R1
+-NK11+ Uo
C1
c) 调零放大输出
R1
R2 = R（1+δ ）
ua
∞ -
R1 ub
+ +N
uo
u
R3
第二章 信号放大电路
六、隔离放大电路
什么是隔离放大电路？
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。
应用于何种场合？ 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。
i2 = i1
R3
ui
i R2
i2
R1 i1
2R1
∞ -+ + N1
uo
∞
R3
-
uo2
+ N2+
c)
自举电路
■何谓自举电路?
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。
■是不是所有情况下都要求放大电路具有高 的输入阻抗？
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。
uo =(uo2–uo1)R5 /R3
高共模抑制比放大电路
（三）有源屏蔽驱动电路
RS1
ui1 C1 a 差 动
uic
ui2 C2
放大器 b
uo
Hale Waihona Puke RS2∞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
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。
ui C1
R2
-∞ +
uo
+ N1
R3
交流放大器
4、自举式高输入阻抗放大电路
a)同相交流放大电路
R3
ui C1 C2
-
∞ +
+
uo
R1
R2
自举电路
b)交流电压跟随电路
R3
ui C1
∞
-
+ +
uo
R1
C2
R2
自举电路
c)自举组合电路 输入电阻为 Ri=(R1R2)/(R2-R1) 当R2=R1时，Ri→∞
C1
+输入 －输入
G
+-N∞1+ +-N∞2R+R22
C1
+输入 输出 －输入
G
+ - N∞ 1 + ∞R2
+-N2+R2
输出
C2
C2
a) N2处于自动校零状
b) N1处于自动校零状态
问题：该态 电路与自动调零放大电路的主要区别何在？
什么场合下采用较为合适？
第二章 信号放大电路
2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)
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
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。
∞
+
Ui
- N+ 1+
Uo
Sb1 A1
Sa1
+ ∞ Uo2 Sb2
C1
- 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Uc2＝Uo2≈(K2U0s2+Kc2Uc)/K2＇。
-∞ +
uo
+ N1
R3
第二章 信号放大电路
（二）同相放大器
R2
Kf= uo / ui = 1+R2 / R1
R3= R1 // R2
R1
Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3
→∞
-∞ +
uo
+ N1
R3
ui
第二章 信号放大电路
（三）交流放大器
1、交流反相放大电路
R2
Kf= –R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容
五、电桥放大电路
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和运 算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。
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。
第二章 信号放大电路
（三）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。
CAZ运算放大器
第二章 信号放大电路
（四）差动放大器 什么是差动放大器？
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。
差动放大器
R3
R3
ui1 R1
R2 ui2
R4
-∞ +
+ N1
ud/2 R1
uo
R2
uic
ud/2 R4
10kΩ
＋
＋15V
＋
1kΩ
10kΩ235L－电1源5V
904 电源 ～220V50Hz
隔离放大电路
2、互补式光电耦合放大电路
i1=10V/R2+ui/R1 ＋10V
i2=10V/R3+uo/(R5+ Ruip) R2
uo=(R5+ Rp) ui/R1
R1
i1
＋10V Rp R5
16
隔离放大电路
6×1N4148 1N753 A
100Ω 9.9kΩ 10μ F100Ω
10μF 100 Ω
R1 Ui 100kΩ
C 0.1μ F 增益微调用100kΩ
∞ -
+ R2+235LR3 1MΩ
R4
100Ω 510Ω 3 －
2
12
277J
4＋ 1
9
5 15141611
10
Uo RL
限幅电路
电桥放大电路
（一）单端输入电桥放大电路
R2
Z3 b
u
Z4 a
-∞ +
uo
R1 Z1
Z2
+N
R
R+Δ R
a) 反相输入
u
R
R
+∞ +
uo
-N
R2
R1
b) 同相输入
电桥放大电路
（二）差动输入电桥放大电路
R
u R
ua R1
R
∞
-
+
+N
uo
R (1+δ ) ub
R2=R1
电桥放大电路
（三）线性电桥放大电路
自动调零放大电路
由图a，当N3输出高电平，Sa1、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。 当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大
3、测量放大电路的类型
第二章 信号放大电路
4、几个重要术语
开环增益K 闭环增益Kf 差模增益Kd 共模增益Kc 输入失调电压u0s 输入失调电流I0s 零点漂移
共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc
第二章 信号放大电路
二、典型放大器的设计
（一）反相放大器
R2
ui R1
Kf= uo / ui = –R2 / R1 R3= R1 // R2
放大器
输出解调 输出 放大器
＋
耦合变压器
a) 变压器耦合
隔离放大电路
（二）通用隔离放大电路
1、AD277变压器耦合隔离放大器
2 6 8 7
3
4 ＋15V
1 9 5 －15V
输入屏蔽
-
∞ +
+ N1
调制器
隔离 电源
输出屏蔽 1MΩ
100kΩ
13 12
100kΩ
解调器
振荡器
∞ -
+ + N2
10 －U ＋U111145
(uo1–ui2)/R3= (ui2–uo)/R4
ui2
uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 为了获得零共模增益，可取 ui1
R1/R2=R4/R3
∞ +
+ - N2
∞ ++ - N1
uo R4
R3 uo1 R2
R1
高共模抑制比放大电路
（二）三运放高共模抑制比放大电路
状态，见图c。可推出： Uo≈－(R2/R1)Ui 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：
性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路； 输出电压较稳定； 波动小； 电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟开
关CD4066即可组成）； 适用于毫伏级的低电平放大。
假设放大器只有共模信号作用时
uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic﹣(R3/R1)uic
当R1=R2，R3+R4时，uoc=0 即输出信号中无共模信号成分
等效电路
第二章 信号放大电路
三、稳零放大电路 三种常用电路：
（一）由通用集成运算放大器组成的斩波稳 零放大电路（自学）
（二）自动调零放大电路 （三）低漂移单片集成运算放大器
ui C1 R1
-∞ +
uo
+ N1
C3：旁路电容，防止振荡 C3R3>C1R1
C3 R3
交流放大器
2、同相交流放大电路
R2
C1：隔直电容 R3 ：C1的放电回路
R3 必须有
zi =R3
R1 ui C1
-∞ +
uo
+ N1
R3
使同相放大器失去高输入阻抗的特点
交流放大器
3、交流电压跟随电路 同相放大电路的特例 为减小失调电流，R3= R2
-∞ +
+ N1
uo
基本电路
共模与差模输入
差动放大器
ud= ui1﹣ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2
ui1 R1
R3
uo
由等效电路可得
R2 0
uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2﹣(R3/R1)ui1 ui2
若R1=R2，R3=R4，则uo=﹣(R3/R1) ud
R4
即只对差模信号进行放大
uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2
当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时， R2