信号放大电路测试电路
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ui R1
-
∞ + uo
+ N
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、位臵误差、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
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
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）合理设计偏臵电路； （R3= R1 // R2 ） R2 （3）采用信号调制解调。
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 电路与同相放大电路的组合 R2 u ui1 R2 o1 R1
ui1 ui2 R3 R4
R1
-
∞ +
ui2作用时电路的输出uo2
uo
+ N
R2 R4 uo2 1 R R R ui2 1 3 4
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
2015/12/22
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
U t (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)。
测控电路
2015/12/22
12
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
R1＝R2
R2>>R3、R4
R3 AVD 1 R4
2.2.1 同相放大器
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
测控电路
7
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
8
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
+
∞ +
- N1
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
+
∞ + uo
- N2
ui1
R2 R4 1 2 R4 R2 R4 uo (1 )uic (1 )uid R1 R3 2 R3 R1 R3
R4
R3 uo1 R2 R1
+
∞ +
取
R1 R4 R2 R3
根据“虚短”和“虚断”
VI i1 R1
0 V2 V2 i2 i1 R2 R2
取R2=R1>>R4、R5
R5 V2 Vo R4 R5
Vo R2 R4 A (1 ) 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
1 CMRR 2
R4 Kd 1Baidu NhomakorabeaR3
1 2 R4 R2 R4 R3 R1 R3 RR 1 2 4 R1 R3
- N1
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
5
测控电路
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
1 u ic (u i1 u i 2 ) 2 u id (u i2 u i1 )
1 u i1 u ic 2 u id 1 u i2 u ic u id 2
R4 R1 R2 R2 1 R4 R1 R2 R2 uo uic uid K c uic K d uid R1 2 R3 R4 R1 R1 R3 R4 R1
2.信号放大电路
2.3.5 高共模抑制比放大电路
基尔霍夫定理
二、同相串联高共模抑制比放大电路
ui2
+
∞ + uo
- N2
ui1
R4
R3 uo1 R2 R1
特色： 1. 同相输入、高输入阻抗； 2. 对于N2仍然是差动放大电路
R2 uo1 (1 )ui1 R1 uo1 ui 2 ui 2 uo R3 R4 R R R uo (1 4 )ui 2 (1 2 ) 4 ui1 R3 R1 R3
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
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 中 高
频 频 频
LF 30-300KHZ MF 300-3MHZ HF 3-30MHZ
提供输入偏置电流通道
平衡输入偏置电流
测控电路
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
2015/12/22
3
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
2015/12/22
4
2. 信号放大电路
2.1 运算放大器的误差及其补偿
2.1 运算放大器件的主要误差源（实际特性）
a.基本设计公式
R2 Av 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 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
序号
1 2 3
-
∞ +
+ N
参数名称
差模增益 共模增益 输入阻抗
理想值
∞ 0 ∞
实际值
90～100dB以上 0dB以上 100kΩ～数兆欧
4
5 6 7 8 9
输出阻抗
带 宽 动态范围 输入失调电压 输入失调电流 噪 声
0
0～∞ 0～供电电压 0 0 0
10Ω～数百欧
0～10Hz（或0～10kHz） 有限部分 纳伏至毫伏 皮安至微安 纳伏至微伏 2015/12/22
一、基本放大电路
反相放大电路
ui R2
同相放大电路
ui R3 +
∞
+ uo
∞
+ uo R1
R2 Kf R1
R1
- N R2
+ N R3
R2 Kf 1 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
R2 Av 1 R1
同相放大器
a.基本设计公式
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
ro ' ro /(1 AF )
A>104; 双极型:ri>104Ω; 场效应:ri>108Ω;
R1 F＝ ＝ 1/ Ad R1＋R2
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
9
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
u SR t
当输出为正弦波
u U m sin t
SR f max 2U m
测控电路
10
为使输出信号不失真
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
1 R4 R1 R2 R2 R1 K d 2 R3 R4 R1 CMRR R4 R1 R2 R2 Kc R3 R4 R1 R1
电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。
运放的闭环放大倍数
K Kf 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
反相放 大器
A=-R2/R1 满足大多数 场合要求
ri+=ri (1+AF) r’o=ro/(1+A 场效应晶体 F) 管：108以上 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 不超过10M ）的值都 接近0。
1、可作前置 易受干扰 放大器，阻抗 和精度低 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 性能稳定 输入阻抗 小，增益 受到限制
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)。
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。
ui1 ui2
取R2/R1=R4/R3
uo
-
+ N R3 R4
R2 uo (ui2 ui1 ) R1
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
u o u o1 u o2 R2 R4 R2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
R2 R4 R2 u o u o1 u o2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
测控电路
2015/12/22
32
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
R2 R1 ∞ +
R2 R4 R2 u o u o1 u o2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
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：
Ri Ro 作用、用途 缺点 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 ）
增益 同 相 放 大 器 Ad=1+R2/R1 开环增益均 大于104倍 以上
a U2 ( t ) k I f f 1 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)。
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 I sh 2qIDC B
-
∞ + uo
+ N
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、位臵误差、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
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
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）合理设计偏臵电路； （R3= R1 // R2 ） R2 （3）采用信号调制解调。
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 电路与同相放大电路的组合 R2 u ui1 R2 o1 R1
ui1 ui2 R3 R4
R1
-
∞ +
ui2作用时电路的输出uo2
uo
+ N
R2 R4 uo2 1 R R R ui2 1 3 4
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
U t (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)。
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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
R1＝R2
R2>>R3、R4
R3 AVD 1 R4
2.2.1 同相放大器
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
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
8
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
+
∞ +
- N1
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
+
∞ + uo
- N2
ui1
R2 R4 1 2 R4 R2 R4 uo (1 )uic (1 )uid R1 R3 2 R3 R1 R3
R4
R3 uo1 R2 R1
+
∞ +
取
R1 R4 R2 R3
根据“虚短”和“虚断”
VI i1 R1
0 V2 V2 i2 i1 R2 R2
取R2=R1>>R4、R5
R5 V2 Vo R4 R5
Vo R2 R4 A (1 ) 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
1 CMRR 2
R4 Kd 1Baidu NhomakorabeaR3
1 2 R4 R2 R4 R3 R1 R3 RR 1 2 4 R1 R3
- N1
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
5
测控电路
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
1 u ic (u i1 u i 2 ) 2 u id (u i2 u i1 )
1 u i1 u ic 2 u id 1 u i2 u ic u id 2
R4 R1 R2 R2 1 R4 R1 R2 R2 uo uic uid K c uic K d uid R1 2 R3 R4 R1 R1 R3 R4 R1
2.信号放大电路
2.3.5 高共模抑制比放大电路
基尔霍夫定理
二、同相串联高共模抑制比放大电路
ui2
+
∞ + uo
- N2
ui1
R4
R3 uo1 R2 R1
特色： 1. 同相输入、高输入阻抗； 2. 对于N2仍然是差动放大电路
R2 uo1 (1 )ui1 R1 uo1 ui 2 ui 2 uo R3 R4 R R R uo (1 4 )ui 2 (1 2 ) 4 ui1 R3 R1 R3
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
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 中 高
频 频 频
LF 30-300KHZ MF 300-3MHZ HF 3-30MHZ
提供输入偏置电流通道
平衡输入偏置电流
测控电路
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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3
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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4
2. 信号放大电路
2.1 运算放大器的误差及其补偿
2.1 运算放大器件的主要误差源（实际特性）
a.基本设计公式
R2 Av 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 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
序号
1 2 3
-
∞ +
+ N
参数名称
差模增益 共模增益 输入阻抗
理想值
∞ 0 ∞
实际值
90～100dB以上 0dB以上 100kΩ～数兆欧
4
5 6 7 8 9
输出阻抗
带 宽 动态范围 输入失调电压 输入失调电流 噪 声
0
0～∞ 0～供电电压 0 0 0
10Ω～数百欧
0～10Hz（或0～10kHz） 有限部分 纳伏至毫伏 皮安至微安 纳伏至微伏 2015/12/22
一、基本放大电路
反相放大电路
ui R2
同相放大电路
ui R3 +
∞
+ uo
∞
+ uo R1
R2 Kf R1
R1
- N R2
+ N R3
R2 Kf 1 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
R2 Av 1 R1
同相放大器
a.基本设计公式
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
ro ' ro /(1 AF )
A>104; 双极型:ri>104Ω; 场效应:ri>108Ω;
R1 F＝ ＝ 1/ Ad R1＋R2
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
9
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
u SR t
当输出为正弦波
u U m sin t
SR f max 2U m
测控电路
10
为使输出信号不失真
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
1 R4 R1 R2 R2 R1 K d 2 R3 R4 R1 CMRR R4 R1 R2 R2 Kc R3 R4 R1 R1
电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。
运放的闭环放大倍数
K Kf 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
反相放 大器
A=-R2/R1 满足大多数 场合要求
ri+=ri (1+AF) r’o=ro/(1+A 场效应晶体 F) 管：108以上 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 不超过10M ）的值都 接近0。
1、可作前置 易受干扰 放大器，阻抗 和精度低 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 性能稳定 输入阻抗 小，增益 受到限制
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)。
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。
ui1 ui2
取R2/R1=R4/R3
uo
-
+ N R3 R4
R2 uo (ui2 ui1 ) R1
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
u o u o1 u o2 R2 R4 R2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
R2 R4 R2 u o u o1 u o2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
测控电路
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32
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
R2 R1 ∞ +
R2 R4 R2 u o u o1 u o2 ui1 1 ui2 R1 R1 R3 R4
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：
Ri Ro 作用、用途 缺点 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 ）
增益 同 相 放 大 器 Ad=1+R2/R1 开环增益均 大于104倍 以上
a U2 ( t ) k I f f 1 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)。
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 I sh 2qIDC B