信号放大电路测试电路

2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
散弹噪声 流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续 的，而是脉冲性质的，电流的方均值或方均根 值不为零 Ish 2qIDCB
式中 q —— 电子电荷，为1.59×10-19C； IDC —— 直流电流(A)； B —— 测量系统的噪声带宽 (Hz)。
一、基本放大电路
反相放大电路 R2
∞
ui
R1
+
+N
同相放大电路
R3 ui
uo R1
R3
Kf
R2 R1
∞
+
+ -N
uo
R2
Kf
1 R2 R1
理想运算放大器的条件
开环电压放大倍数AVD→∞（虚短）
差模输入电阻RID →∞（虚断）
开环输出电阻RO →0
共模抑制比KCMRR →∞
+
-
2.2.1 同相放大器
输入阻抗高带来的好处 是用在前置放大器中。
2.2.1 同相放大器
c.同相放大器的变形形式
（1）低频交流放大器
低 频 LF 30-300KHZ 中 频 MF 300-3MHZ 高 频 HF 3-30MHZ
提供输入偏置电流通道
平衡输入偏置电流
R1＝R2 R2>>R3、R4
AVD
1
R3 R4
2.2.1 同相放大器
ui1
+ +
- N1
uo1 R1
R4
R3
∞
-
R5
+
+ N3
uo
∞ -
R2
R3 R4
ui2
+
+ N2
uo2
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏 蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽
2. 信号放大电路
信号放大电路是为了将微弱的传感器信号放大到足以进行各 种转换处理或驱动指示器、记录器以及各种控制机构。
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。
测控电路
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要求：
阻抗匹配 有一定的放大倍数和稳定的增益 低噪声 低输入失调电压和失调电流及低温漂 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 线性度好，精度高
c.同相放大器的变形形式 （2）同相放大器的极端形式——射极跟随器
平衡输入偏置电流
d.同相放大器的设计
1)选择一种同相放大器的结构； 2)为同相放大器选择元器件;
集成运算放大器 电阻、电容
2.2.2 反相放大器
a.基本设计公式
Av R2 R1
ri R1
2.2.2 反相放大器
b.特点
（1）低输入阻抗，稳定性好 （2）无共模信号，共模误差小
+N
2.1 运算放大器件的主要误差源（实际特性）
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
参数名称 差模增益 共模增益 输入阻抗 输出阻抗 带宽 动态范围 输入失调电压 输入失调电流 噪声
理想值 ∞ 0 ∞ 0
0～∞ 0～供电电压
0 0 0
实际值 90～100dB以上
0dB以上 100kΩ～数兆欧
10Ω～数百欧 0～10Hz（或0～10kHz）
可以通过调零电路消除。 一般说来，运算放大器的偏置电流越大
，其输入失调电流也越大。
测控电路
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转换速率SR,最大不失真频率fmax
转换速率SR表示输出电压能够跟踪输入电压的能力
SR u t
当输出为正弦波 u Um sin t
为使输出信号不失真
fmax
SR
2U m
测控电路
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运放的闭环放大倍数
一、基本差动放大电路
R2
uo
uo1
uo2
R2 R1
ui1
1
R2 R1
R4 R3 R4
ui2
ui1
R1
∞ -
取R2/R1=R4/R3
+
ui2
+N
R3
uo
uo
R2 R1
(ui2
ui1 )
R4
具有共模抑制能力。
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
一、基本差动放大电路
实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3
Kf
K
1 K
运放振荡产生的原因及消除方法
增加RC补偿网络
测控电路
11
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
噪声 噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常， 把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。 热噪声 由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声
Ut (t) 4kTRB
式中 k —— 玻耳兹曼常数，k =1.38×10-23J/K； T —— 导体的绝对温度（K）； B —— 测量系统的噪声带宽(Hz)； R —— 导体阻抗的实部(Ω)。
R1
2 1 R2R4 R1R3
增益与共模抑制比牵连
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
三、三运放高共模抑制比放大电路
∞
ui1
+
+ uo1
R3
- N1
R1
R7
IR
R0
RP
∞ -
R2
R8
+
ui2
+ N2
uo2 R4
RP调整两臂平衡
R5
∞
-
+
+ N3
uo
R6
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路 三、三运放高共模抑制比放大电路
∞
ui1
+
+ uo1
R3
R5
- N1
R1
R7
IR
∞ -
R0
RP
+
+ N3
uo
∞ -
R2
R8
R6
+
ui2
+ N2
uo2 R4
电路特点： 1. 输入阻抗高； 2. 增益调整方便； 3. 对于理想运放，共模
抑制比趋向无限大。
IR
uo2 ui2 R2
ui1 uo1 R1
ui2 ui1 R0
uo1
(1
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
减小噪声影响的主要措施
（1）采用噪声小的器件； （2）采用信号调制解调与滤波，限制通频带； （3）采用屏蔽措施； （4）采用高共模抑制比电路。
共模抑制比KCMR
概念
运放工作于线性区域时，其差模电压增益 AVD与共模电压增益AVC之比，即
KCMR＝AVD/AVC
ui1
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
二、同相串联高共模抑制比放大电路
ui2 ui1
∞ +
+ - N2
∞ +
uo R4
R3
uo
(1
R2 R4 R1R3
)uic
1 2
(1
2R4 R3
R2 R4 R1R3
)uid
取
R1 R4 R2 R3
Kd
1
R4 R3
+ - N1
uo1 R2
1 2R4 R2R4 CMRR 1 R3 R1R3
R2
∞
ui
-
R1
+ +N
uo
R3
2. 信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
在许多情况下需要测量的参数是差值 形状误差、位置误差、差压、温差 有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值
在多数情况下外界干扰主要是共模干扰 在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致
性
2. 信号放大电路
2.3 典型测量放大电路
性能稳定
易受干扰 和精度低
输入阻抗 小，增益 受到限制
近似计算 公式
为了消除 输入偏置 电流的影 响，反馈 网络采用 “Y”型网 络： A=1+R3/R4
当R2>>R4 、R5时 A=-R2/R1 （1+R4/R5 ）
2.2 高共模抑制比放大电路 一、基本差动放大电路
独立作用原理
基本差动放大电路是反相放大 ui1作用时电路的输出uo1
有限部分 纳伏至毫伏 皮安至微安 纳伏至微伏
测控电路
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2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和 线性范围。
最主要的误差因素是噪声与失调漂移。 固定的失调可以通过调整来解决。
§2.1.2 集成运放的主要直流参数
1、输入失调电压Uos 2、输入失调电流I0S 3、转换速率SR,最大不失真频率fmax 4、闭环放大倍数Kf 5、共模抑制比KCMR
以分贝表示为KCMR＝20lg（AVD/AVC）
理想运放KCMR无穷大，实际KCMR为有限值 设计高精度放大器时应选用高KCMR的运
放
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
减小漂移影响的主要措施
（1）采用低漂移放大电路；
（2）合理设计偏置电路； （R3= R1 // R2 ）
（3）采用信号调制解调。
电路与同相放大电路的组合
R2
uo1
R2 R1
u i1
ui1
R1
∞ -
+
ui2
+N
R3
ui2作用时电路的输出uo2
uo
uo2
1
R2 R1
R4 R3 R4
ui2
R4
uo
uo1
uo2
R2 R1
ui1
1
R2 R1
R4 R3 R4
ui2
测控电路
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2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
大
以上
器
反相放 A=-R2/R1 大器 满足大多数
场合要求
Ri
Ro
作用、用途 缺点
ri+=ri (1+AF) 场效应晶体 管：108以上
不超过10M
r’o=ro/(1+A F) 电路都采 用电压负 反馈的形 式，电路 的输出阻 抗（闭环 输出阻抗 ）的值都 接近0。
1、可作前置 放大器，阻抗 变换或隔离级 ； 2、可避免放 大器的输入阻 抗对高通滤波 器的截止频率 的影响
二、同相串联高共模抑制比放大电路
ui2
∞ +
+
特色： uo 1. 同相输入、高输入阻抗；
- N2 R4 2. 对于N2仍然是差动放大电路
ui1
∞ +
R3
+ - N1
uo1 R2
uo1
(1
R2 R1
)ui1
uo1 ui2 ui2 uo
R3
R4
R1
uo
(1
R4 R3
)ui2
(1
R2 R1
)
R4 R3
uo
uo1
uo2
R2 R1
ui1
1
R2 R1
R3
R4
R4
ui2
uic
1 2 (ui1
ui2 )
uid (ui2 ui1 )
ui1
u
i2
uic uic
1 2 uid 1 2 uid
uo
R3
R4
R4
R1 R2 R1
R2 R1
uic
1 2
R3
R4
R4
R1 R2 R1
R2 R1
R1 R0
)ui1
R1 R0
ui2
uo2
(1
R2 R0
)ui2
R2 R0
ui1
uo2
uo1
(1
R1 R2 R0
)(ui2
ui1 )
Kd
uo2 ui2
uo1 ui1
1
R1 R2 R0
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2.2 高共模抑制比放大电路
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
∞
在信号传输中常采用屏蔽电缆
测控电路
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2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
低频噪声 与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声
U
2 f
(t)
k1I
a
f
b
式中 k1 —— 与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；
I —— 工作电流(A)；
a、b —— 由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.8~1.5，a通常为1； f —— 工作频率(Hz)。
a.基本设计公式
Av 1 R2 R1
ri ri (1 AF )
式中，ri为运放的开环输入阻 抗，A 为运放的开环增益，F 为电路的反馈系数，即
F＝
R1 R1＋R2
＝1/
Ad
ro ' ro /(1 AF )
A>104; 双极型:ri>104Ω; 场效应:ri>108Ω;
2.2.1 同相放大器
b.特点 1）输入阻抗高，易受干扰 2）共模误差大
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2. 信号放大电路
测量放大电路的主要误差源 高共模抑制比放大电路 低漂移放大电路 高输入阻抗放大电路 电桥放大电路
测控电路
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2. 信号放大电路
电荷放大电路 增益可控放大电路 隔离放大电路
测控电路
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2. 信号放大电路
∞
-
+
2.1 运算放大器的误差及其补偿
多用作中间或后置级放大。 ➢ R3：平衡电阻，R3＝R1//R2 ➢ R1、R2 的选择
2.2.2 反相放大器
c.反相放大器的变形形式 （1）反相放大器的变形形式
保证一定增益的条件下提高输入阻抗
根据“虚短”和“虚断”
Q
i1
VI R1
i2
0 V2 R2
V2 R2
i1
取R2=R1>>R4、R5
V2
测控电路
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输入失调电压U0S
概念
集成运算放大器输出直流电压为零时，所加 的补偿电压，mV级参数（双极型：1－ 10mv；场效应管型：大一些）
多在前置放大器中产生误差，可消除。
设计时注意选用低U0S的运放和设计相应 调零电路。
测控电路
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输入失调电流I0S
概念
当运算放大器输出直流电压为零时，两输入 端偏置电流的差值，即I0S＝IIB1－IIB2
R5 R4 R5
Vo
A Vo R2 (1 R4 )
VI
R1
R5
R3＝R1//R2
2.2.2 反相放大器
c.反相放大器的变形形式
（2）反相放大器的实用形式——交流反相放大器
抑制高频噪声 平衡输入偏置电流 R3=R2(隔直电容C1的存在)
归纳如下：
增益
同
Ad=1+R2/R1
相
开环增益均
放
大于104倍
uid
Kcuic
Kduid
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
一、基本差动放大电路
CMRR
Kd
1 2
R3
R4 源自文库
R4
R1 R2 R1
R2 R1
Kc
R4 R1 R2 R2
R3 R4 R1
R1
电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。
2.信号放大电路
基尔霍夫定理
2.3.5 高共模抑制比放大电路