八大经典检测电路

八大经典检测电路
同相比例放大器 反相比例放大器 电流电压变换放大器 差动放大器 自举型高输入阻抗放大器 斩波稳零放大器 仪用放大器 隔离放大电路
同相比例放大
增益 输入阻抗
Au=1十Ri／R2 ri+= ri (1十AF)
R2 R1 UF RS + + US A U0
ri——运放的开环输入阻抗 ——运放的开环输入阻抗 A——运放的开环增益 运放的开环增益 F——电路的反馈系数 电路的反馈系数
F= R2 = 1 / Au R1 + R2
开环增益为10 例：某放大器ri ＝104Ω开环增益为 4 ，F ＝0.1（闭环 开环增益为 （ 增益为10），则放大器的闭环输入阻抗为10 。 ），则放大器的闭环输入阻抗为 增益为 ），则放大器的闭环输入阻抗为 7Ω。
反相比例放大
增益 特点： 特点 性能稳定，但输入阻抗较低 性能稳定，
R1 Rf A + R2 U0
Au=–Rf/R1
限制 带宽
注意： 注意 在实际电路中， 在实际电路中，由于电阻 的最大值不能超过10MΩ， 的最大值不能超过 ， R如果要提高反相放大器的 如果要提高反相放大器的 输入阻抗， 输入阻抗，电路的增益要 受到限制。 受到限制。
USS
+
电流电压变换放大
增益
U0=―Rf·is 放大电路的精度 取决于R 取决于Rf的稳定性
IS io A R1 R2 + Rf U0
i1
差动放大
增益 特点： 特点： 提高电路共模抑制比，减小温度漂移。 提高电路共模抑制比，减小温度漂移。
US/2 + UC + U1 R2 + - - R2 US/2 U2 R1 R1 U－ U+ A + U0
R1 R1 U 0 = （U 2 − U 1） = US R2 R2
+
扩大输入共 模电压范围
自举型高输入阻抗放大器
U i U i − U o1 Ii = + R1 R
2R1
U o1 = −
2 R1 Uo R2
Uo = −
R2 Ui R1
U01 I R Ii Ui R1 I1 Rp
A A11
R2 Rp
+
U o1
2 R1 R2 = (− )(− )U i = 2U i R2 R1
U i U i − 2U i R − R1 Ii = Ui + = R1 R R1 R
+
R2 A2 U0
Ui R1 R Ri = = Ii R − R1
斩波稳零放大器
1.闭环状态斩波稳零放大器 闭环状态斩波稳零放大器
图中开关S 和电容C 以及S 分别构成两个采样—保持 图中开关 2和电容 1以及 3、C2、A3分别构成两个采样 保持 电路。第一个采样—保持电路用来对放大器A 进行动态校零； 保持电路用来对放大器 电路。第一个采样 保持电路用来对放大器 l进行动态校零； 第二个采样—保持电路用来维持输出电压的连续性。 保持电路用来维持输出电压的连续性 第二个采样 保持电路用来维持输出电压的连续性。 电路的工作分两个阶段，由 电路的工作分两个阶段， 时钟控制开关完成。 时钟控制开关完成。 第一阶段为误差检测与寄存 第二阶段为动态校零和放大
Ф1 ② S1 Ui + ①
－
+
A _ 1 ②
S3
② C2
_ +
A3
Uo
① C1 ① S2 Ф2 OSC + A2_ Ф1
0 T1 T2 Ф2 0 T1 T2
内部时钟CP由振荡器 提供， 时间内， 内部时钟 由振荡器(OSC)提供，若在时钟。0~T1时间内，开 由振荡器 提供 若在时钟。 停在①端位置， 接通、 断开， 关S1、S2、S3，停在①端位置，即S2接通、S1、S3断开，相应电 路状态如下图。 路状态如下图。
U c1 ≈ U os1 +
在此时间内
U os 2 ≈ U os1 A1v
U o1 = (U os1 − U c1 ) A1v
U c1 = (U os 2 − U 01 ) A2 v
UOS1
+ _
A1 UOS2 + A2_
UO1
_ +
A1v ⋅ A2v A2v U c1 = U os1 + U os 2 1 + A1v A2 v 1 + A1v A2 v
U os 2 U c1 ≈ U os1 + ≈ U os1 A1v
A3 UO
+ UC1 _
C1
+ UC2_ C2
放大器工作状态之一
电容Cl记存了 l的失调电压 os1，此段时间是放大器误差检测和 电容 记存了A 的失调电压U 寄存阶段。 寄存阶段。 由于此时A 之间被切断(S 断开)，所以A 的输出电压U 由于此时 3与A1之间被切断 3断开 ，所以 3的输出电压 O为
U0=Uc2
C2上记有的电压 c2，是前一时 上记有的电压U 刻放大器A 的输出电压。 刻放大器 1的输出电压。 在时钟T 时间内，开关S 在时钟 1～T2时间内，开关 1、 S2、S3停留在②端位置上，即S1、S3 停留在②端位置上， 接通、 断开， 接通、S2断开，相应的电路状态如图
+ Ui _
Uos1 _ +
+ _
A1
Uo1
_
A3
+
C1
+ Uc1 －
U0
C2
+ Uc2 －
放大器工作状态之二
这时， 同相端与输入信号U 接通，由于A 这时，Al同相端与输入信号 i接通，由于 1的反相端还保存着前 一时刻的失调电压U 所以这时A 的输出电压U 一时刻的失调电压 c1＝Uos1，所以这时 1的输出电压 ol为
U o1 = A1v (U i + U os1 − U c1 ) = A1v (U i + U os1 − U os1 ) = A1vU i
上式表明， 的输出电压不受放大器失调电压的影响， 上式表明，A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输 入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“ 入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“动态校零和放大 输入信号”的工作阶段。这时总输出电压U 输入信号”的工作阶段。这时总输出电压 o为
U o = U o1 = U c 2 = A1vU i
当时钟控制开关再回到①端位置时， 保持不变， 当时钟控制开关再回到①端位置时，Uc2保持不变，放大器 A3(接成跟随器工作 继续以 1vUi的幅值向外输出，保证了输出 接成跟随器工作)继续以 的幅值向外输出， 接成跟随器工作 继续以A 电压的连续性。 电压的连续性。 开关的反复通断， 的漂移不断被校正， 开关的反复通断，Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工 作原理。 作原理。 开关S 一般用MOSFET完成。 完成。 开关 1、S2、S3一般用 完成
2.开环状态斩波稳零放大器 失调误差逐级存储放大器 开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器 开环状态斩波稳零放大器 失调误差逐级存储放大器)
当开关S 都接地， 当开关 1、S2都接地，即开 关处于图示位置时， 关处于图示位置时，放大器 Ui 输入端对地短路， 输入端对地短路，输出失调 电压U 使电容器C两端充 电压 off使电容器 两端充 电至U 电至 c=Uoff。 Uoff为 U =A U off 1d os
' o
Uos S1
_ +
A1
Uo1 C U01’ Uc S2
_ +
A2 U0
开环状态斩波稳零放大器原理图
电容C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器C又 电容 上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器 又 上存储的误差信号为放大器输出失调电压 U 称为记忆电容器 记忆电容器。 放大器的开环电压增益。 称为记忆电容器。A1d为A1放大器的开环电压增益。 当开关S 断开， 接通输入信号U 放大器输出电压U 当开关 2断开，S1接通输入信号 i时，放大器输出电压 0为
U o = −( A1d U i − A1d U os )
' U o = U o − U c = − A1d U i + A1d U os − U off = − A1d U i
输出到下一级的电压
可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路 可见，输出失调电压完全抵消。 的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调， 的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达 到稳零的目的。 到稳零的目的。
由于误差采样期间放大器处于开环运用， 由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调 电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于100 电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于 为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接， 倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐 级采样存储MOS集成运放，如图。 集成运放， 级采样存储 集成运放 如图。
S1 Ui S2
_ +
C1 A1
_ +
C2 A2
_ +
Cn A3 Uo
S3
S4
电路工作的两个阶段由时钟控制MOSFET开关完成。 开关完成。 电路工作的两个阶段由时钟控制 开关完成 以上分析建立在下一级R 无穷大、 为零的理想条件下。 以上分析建立在下一级 i无穷大、Ci为零的理想条件下。如果 不满足条件， 不满足条件，则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起 的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外， 的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟 控制脉冲经分布电容耦合到MOS管栅极，也将引入失调电压。 管栅极， 控制脉冲经分布电容耦合到 管栅极 也将引入失调电压。 实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小两个数量级 两个数量级， 实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小两个数量级， 且温度稳定性很好。 且温度稳定性很好。 在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器， 在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器，可进 一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模MOS模拟集成电路 一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模 模拟集成电路 之中，如用作A／ 模 转换器或比较器。 之中，如用作 ／D(模／数)转换器或比较器。 转换器或比较器
仪用放大器
测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成 测量放大器由两级组成， 第一级，第二级为差动放大器——减法器 第一级，第二级为差动放大器 减法器
V4 − V5 V1 − V2 IG = = RG RG
V6 = V5 + I G R2 = V2 +
V3 = V4 + I G R1 = V1 + V1 − V2 R2 RG
V1 − V2 R2 RG
V3 − V6 R1 + R2 Af 1 = = 1+ V1 − V2 RG
R7 V0 = V6 R6 + R7
V0 =
V1 V4
+ -
A1
V3 R4 R1 IG RG R2
R5 -A +
3
R5 R 1 + − V3 5 R4 R4
V0
V2
V5
+
A2
2R R R5 (V6 − V3 ) = −1 + 1 5 (V1 − V2 ) R4 RG R4
2R R V0 Af = = −1 + 1 5 V1 − V2 RG R4
V6 R6
R7
Af 2
V0 R = = 5 V6 − V3 R4
2 R1 A f = −1 + RG
失调参数的影响
假设由三运放失调电压V 及失调电流I 假设由三运放失调电压 OS及失调电流 OS所引起的误差 电压折算到各运放输入端的值分别为∆V1、∆V2和∆V3,误 电压折算到各运放输入端的值分别为 误 差电压极性如图。假设输入信号为零， 差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压 ⊿V 为：
1
+A
R 2R R ∆V0 = (1 + 1 ) 5 (∆V1 − ∆V2 ) + ∆V3 (1 + 5 ) RG R4 R4
RG
-
1
R1 R2=R1 + ⊿V2 A2 R4 ⊿V3
R4
R5 +A 3
-
⊿V0
若R4=R5
∆V0 = (1 +
2 R1 )(∆V1 − ∆V2 ) + 2∆V3 RG
R5
图示极性的∆V 所引起的输入误差是相互抵消的。 图示极性的 1和∆V2所引起的输入误差是相互抵消的。 的参数匹配，则失调误差大为减小。 若运放A 若运放 1和A2的参数匹配，则失调误差大为减小。∆V3 折算到放大器输入端的值为2∆V3/Af1，所以等效失调参 折算到放大器输入端的值为 数很小，即对运放A 的失调参数要求可降低些。 数很小，即对运放 3的失调参数要求可降低些。
图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。 图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术 过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏， 过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微 型的氖灯NL1、NL1，作为电压限幅器。微型的氖灯价廉且具有对 电压限幅器。 型的氖灯 、 ，作为电压限幅器 称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大， 称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它 对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压(一般为 对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压 一般为 60V)，则氖灯迅速导通 击穿后，氖灯本身呈负阻特性 ，使其两端 击穿后， ，则氖灯迅速导通(击穿后 氖灯本身呈负阻特性)， 的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器R 的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器 W用于 调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是， 调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输 入端加载一个1V左右的信号 一般为50Hz)，调整电位器 W使电路 左右的信号(一般为 入端加载一个 左右的信号 一般为 ，调整电位器R 的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。 的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。