放大电路及数据采集

电压比较电路
比较电路的输入信号是连续变化的模拟量，而 输出信号是数字量1或0，因此，可以认为比较电路 是模拟电路和数字电路的“接口”。 由于比较电路的输出只有高电平或低电平两种 状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。 从电路结构来看，集成运放经常处于开环状态， 有时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速， 以提高比较精度，也可在电路中引入正反馈。
静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作 状态，也称直流工作状态；可用估算法和图解法进行分析。 电路处于静态时，三极管各电极的电流、电压在特性曲线上
确定为一点，称为静态工作点，常称为Q点。一般用IB、 IC、 和VCE （或IBQ、ICQ、和VCEQ ）表示。
动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流
集成运算放大器
反相比例运算电路
同相比例运算电路
差分比例运算电路 电压比较器
反相比例运算电路
输入电压uI经电阻R1加到集成运放的反相输入端， 其同相输入端经电阻R2接地，输出电压uO经RF接 回到反相输入端。通常选择R2的阻值为
R2 R1 // RF 输入电压（虚短），可得
(4.2.1)
u u 0
I BQ
VCC VBEQ Rb
ICQ βIBQ ICEO βIBQ
VCEQ=VCC－ICQRc
直流通路
直流通路
iC iC i B＝ 常数 (a) Q ICQ O
t
O
u CE
3. 简单工作原理 直流电源：内阻为零， 相当于短路 耦合电容：通交流， 相当于短路
Vi=Vsint（动态）
共栅极放大电路（CG， Common Gate），
三极管组成的放大电路
三极管基本放大电路的三种连接形式
典型放大电路
1 共射级放大电路
IC I C I B ( ) IB
特点如下： 1、输入信号和输出信号反相 ; 2、有较大的电流和电压增益；
3、一般用作放大电路的中间级。
共射级放大电路
因为“虚短”
u 因为“虚Βιβλιοθήκη Baidu”，所以 u
u u I i1 R1 R1
uI
R3 ui
uo u uo uI iF RF RF
又因为 i，所以得 i1 F
u I uo uI R1 RF
整理可得同相比例运算电路的电压放大倍数为：
RF Auf 1 R1
过零比较电路
处于开环工作状态的集成运放是一个最简单的过零 比较电路，如图 (a)所示。由于理想运放的开环差模 增益Aod＝∞，因此在图 (a)中，当uI﹤0时，uO＝＋ UOPP；当uI﹥0时，uO＝－UOPP。其中UOPP是集成运 放的最大输出电压。据此可画出过零比较电路的传 输特性，如图 (b)所示。 uO
`
RF
RF R1 u uI uO R1 RF R1 RF
`
而同相输入端的电位为
u
' RF ' R1

' uI ' RF
(4.2.8)
u 因为“虚短”，即 u ，所以以上两式相等。 ' 当满足条件 R1 R1' 和 RF RF 时，整理上式，可求 得差分比例运算电路的电 压放大倍数为
1）理想集成运放的差模输入电压等于零 由于集成运放工作在线性区，故输出、输入之间 符合式所示的关系式。而且，因理想运放的Aod＝∞， 运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如 同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正 被短路，只是表面上似乎短路了，因而是虚假的短 路，所以将这种现象称为“虚短”。
26(mv) I E (mA)
RC R5 3.3k
rbe 300 (1 )
合适的的静态工作点
1. 静态工作点Q合适
iC iC iB＝ 常数 (a) Q ICQ O
t
O
u CE
2. 静态工作点Q偏高
3. 静态工作点Q偏低
Q偏高可能导致饱和失真
Q偏低可能导致截止失真
扩音机的输入级
基本概念
集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦 合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它 的增益高（可达60~180dB），输入电阻大 （几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几 十欧），共模抑制比高（60~170dB），失 调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输 出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极 性信号的输入和输出。
大学生课外创新活动讲座（二）
信号放大电路及 数据采集
SSPU
主讲人： 靳 涛
电话：1340624461
QQ: 441423551 QQ群号：43991846 新群号： 128422037
控制系统结构框图
显示设备
传感器
数据采集电路 （ADC）
被控设备
信号放大电路
处理器
（单片机，DSP, FPGA,计算机）
uu+
ii+
+
Aod
uO
2）理想集成运放的输入电流等于零
由于理想集成运放的差模输入电阻rid＝∞， 因此在其两个输入端均没有电流，即运放的 同相输入端和反相输入端的电流都等于零， 如同该两点被断开了一样，这种现象称为 “虚断”。
“虚短”和“虚断”是理想运放工作在 线性区时的两个重要结论。这两个重要结论 常常作为今后分析许多运放应用电路的出发 点，因此必须牢牢记住并掌握。
(3) 反相比例运算电路的输入电阻不高，等于R1，输出电阻 很低。
输入电压uI 经电阻R2 加到集成运放的同相输入端， 输出电压uO 和输入信号uI 同相，反相输入端经电 阻R1接地，输出电压uO经RF接回到反相输入端。 R2的阻值仍应为：R2＝ R1 // RF
R2 R1 - ∞ + + N1 uo
滞回比较电路
RF Auf ' R1 uI uI
uO
(4.2.9)
差分电路的输出电压与两个输入电压之差成正比， 实现了差分比例运算。其比值|Auf|同样决定于电阻 RF和R1之比，而与集成运放内部各项参数无关。由 以上分析还可以知道：差分比例运算电路中集成运 放的反相输入端和同相输入端可能加有较高的共模 输入电压，电路中不存在“虚地”现象。
由式可知，同相比例运算电路的电压放大倍数总 是大于或等于1。
对同相比例运算电路，可归纳得出以下几点结论：
(1) 由于同相比例运算电路不存在“虚地”现象，在选用集 成运放时要考虑其输入端可能具有较高的共模输入电压。
(2) 电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正比， 且相位相同。也就是说，电路实现了同相比例运算。 比值Auf仅取决于电阻RF和R1之比，而与集成运放内部 各项参数无关。只要RF和R1的阻值比较精确而稳定，就 可以得到准确的比例运算关系。一般情况下，Auf值恒大 于1。仅当RF＝0或R1＝∞时，Auf＝1，这种电路称为电 压跟随器。 (3) 同相比例运算电路的输入电阻很高，输出电阻很低。
iF uI i1 R1 u i R 2 u + i+ + RF A uO
(4.2.2)
由于i-＝0，则由图可见
i1 iF
(4.2.3)
即
uI u u uo R1 RF
上式中u-＝0，由此可求得反相比例运算电路的电压 放大倍数为 uo RF Auf (4.2.4)
uI
R1
BJT: 放大电路的核心 Vcc: 电路的能源
Rb: 基极电阻，用于设置偏压
Rc: 集电极电阻，用于实现集电
极的电流与电压的转换
C1、C2: 耦合电容，作用为
1）隔直流，使BJT的直流 工作点Q不受外界直流影响； 2）通交流，使交流信号无
注意：零电位点是指电路中各点电位
均以此点为参考。
衰减地通过。
放大电路的静态和动态
uI +Uopp +
图 (a)
A
uO -Uopp
O
uI
图 (b)
过零比较电路
当比较电路的输出电压由一种状态跳变为另一 种状态时，相应的输入电压通常称为阀值电压或门 限电平，这种比较电路的门限电平等于零，所以称 为过零比较电路。
以上过零比较电路采用的是反相输入方式，如 果需要也可以采用同相输入方式。
输入电压uI 和分别加在集成运放的反相输入端和同 相输入端，输出端通过反馈电阻RF接回到反相输入 端。为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同 时为了避免降低共模抑制比，通常要求：
R1
RF
' R1
uI uI
R1
ii+
+
R1
A
在理想条件下，由于“虚 断”，i+＝i-＝0，利用叠加 定理可求得反相输入端的电 uO 位为
因为反相输入端是“虚地”，显而易见，电路的输 入电阻为
Rif R1
对反相比例运算电路，可归纳得出以下几点结论：
(1) 反相比例运算电路在理想情况下，其反相输入端的电位 等于零，称为“虚地”。因此加在集成运放输入端的共 模输入电压很小。 (2) 电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正比， 负号表示uO和uI 相位相反。也就是说，电路实现了反相 比例运算。比值|Auf|决定于电阻RF 和R1 之比，而与集成 运放内部各项参数无关。只要RF和R1的阻值比较精确而 稳定，就可以得到准确的比例运算关系。比值|Auf|可以 大于1，也可以小于或等于1。
工作状态；可用图解法和小信号模型法分析。其主要性能指标
为 Au 、 Ri、 Ro 。
综合考虑电路的静态分析结果与动态 分析结果，即得电路的实际工作情况
共射放大电路的工作原理
信号源：不加考虑 去掉所在支路。 耦合电容：隔直流， 看做为断路。
Vi=0(静态)
直流通路
共射放大电路的工作原理
3.静态工作点(Q点）的分析计算
控制驱动器
输入设备
主要内容
概念
单管放大电路
集成运算放大器
模数转换器（ADC）
概
念
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。
放大器的输入和输出
典型放大电路
基本放大电路的三种组态：
三极管BJT：
共发射极放大电路（CE， 共集电极放大电路（CC， 共基极放大电路 场效应管： 共源极放大电路（CS， Common Source） 共漏极大电路 (CD， Common Drain) (CB， Common Emitter） Common Collector） Common Base)
在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中 的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理 想运放就是将集成运算放大器的各项技术指标理 想化，即具有如下参数： 开环差模电压增益Aod＝∞； 差模输入电阻rid＝∞； 输出电阻ro＝0； 共模抑制比KCMR＝∞； -3dB带宽fH＝∞； 输入失调电压UIO、失调电流IIO、输入偏置电 流IIB以及他们的温漂均为零等等。
U0 RC // RL AU Ui be
RC
共射级放大电路
在电路中静态工作点为： RB 2 UB U CC RB1 RB 2
ICQ βIBQ ICEO βIBQ
VCEQ=VCC－ICQRc 动态参数： 电压放大倍数: 其中：
U0 RC // RL AU Ui be
扩音机的输入级
多级放大电路
三极管功率放大作用
三极管工作在饱和区和截止区 在数字控制电路中，经 常采用三极管做功率驱 动，比如驱动蜂鸣器， LED，继电器，指示灯， 直流小电机等。
Vin Ik
集成运算放大器及信号处理电路
集成运算放大器的基本概念
集成运算放大器的线性应用
滤波的概念和基本滤波电路
电压比较电路
电压比较电路
过零比较电路
单限比较电路 滞回比较电路
双限比较电路
电压比较电路
电压比较电路是一种常用的信号处理电路。他 将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较， 并将比较的结果输出。 比较电路的输出只有两种可能的状态：高电平 或低电平。在自动控制及自动测量系统中，常常将 比较电路应用于越限报警、模／数转换以及各种非 正弦波的产生和变换电路等等。
只用一个开环状态的集成运放组成的过零电压 比较电路非常简单，但其输出电压幅度较高，uO＝ ±UOPP。有时希望比较电路的输出幅度限制在一定 的范围内，例如要求与TTL数字电路的逻辑电平兼 容，此时需要加上一些限幅的措施。
过零比较电路
用两个稳压管背靠背串连，可以得到限幅的过 零比较电路，电路见图 (a)。假设任何一个稳压管被 反向击穿时，两个稳压管两端总的稳定电压值均为 UZ，这里UOPP > UZ。