测控电路-2第二章3.

第二章 信号放大电路
集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件。 以半导体单晶硅为芯片。 采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极 管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的 完整电路制作在一起。 封装并引出管脚，使之具有特定功能。


集成运放是一种输入阻抗高、输出阻抗低、电压放 大倍数非常大的多级直接耦合放大器。
K2 + +N2
b) 误差保持
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。
自动调零放大电路
R2
Ui
R1
UOS1
K1 N1 +
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。
∞ + + - N1
2）三运放高共模抑制比放大电路
ui1 ∞ uo R3 + + 1 - N1 R1 IR RP ∞ R2 + N + 2 uo2 R4 R5 R7 RP
1
∞ + + N3 R6
uo
R8
ui2
R1 R2 uo 2 uo1 (1 ) ui 2 ui1 RP uo 2 uo1 R1 R2 kd (1 ) ui 2 ui1 RP
a b
差 动 放大器
uo
1 其共模抑制比的幅值为： CMRR | RS 2C1 RS 2C1 |
高共模抑制比放大电路
共模电压自举（输入保护技术）
ui1 ∞ + + - N1
RP ui2 ∞ + + N2 R2 R4 R1 R0 uc R0
R3 R3
R4
∞ + + N3
uo
高共模抑制比放大电路
第二章 信号放大电路
序号 参数名称 理想 实际
1
2 3 4
差模增益
共模增益 输入阻抗 输出阻抗
∞
0 ∞ 0
90~100dB以上
0dB以上 100k欧~数兆欧 10欧~数百欧
5
带宽
0~∞
0~10Hz（或0~10kHz）
转换速率
转换速率SR 是指放大电路在电压放大倍数等于1的 条件下，输入大信号（例如阶跃信号）时，放大电 路输出电压对时间的最大变化速率。 它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。 转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重 要指标，目前一般通用型运放压摆率在1～10V/µs 左右。
第二章 信号放大电路
2）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
差动放大器
i2
R2
∞ ud/2 R1 R3 uic ud/2 R4
R2
∞
ui1 R1 R3
i1
-
ui2
+ N1
i4
+
uo
-
+ N1
+
uo
i3
Hale Waihona Puke BaiduR4
R2/R1=R4/R3 基本电路 共模与差模输入
第二章 信号放大电路

传感器的输出信号通常伴随很大的共模电 压(包括干扰电压)。一般采用差动输入集成运 算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完 全平衡对称、运算放大器具有理想特性。否则， 放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电 阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模 抑制能力有关。
uo=(uo2-uo1) R5/R3
三运放高共模抑制比放大电路
高共模抑制比放大电路
3）有源屏蔽驱动电路 Rs1 C1 ≠ Rs2 C2, jωRs1C1uic, jωRs2C2uic uic a,b两端的共模信号分别为 (1- jωRs1C1uic),(1- jωRs2C2uic)
RS1 ui1 C1 ui2 C2 RS2
时钟输出
Ui
Uos1
Sb1
Sa1
Uos2
+ N 1 + A1 + ∞ Uo2 Sb2
C1
内部调制 补偿电路 C2 箝位电路
+ N - -2 A2
Sa2
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
1、反相串联结构型 uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2 当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时， uo=0
ui1 R1
R2 ∞ + R4 R5
R6
+ N1 ui2
-
∞
+ + N2
uo
R3=R1∥R2
R7 =R4∥R5∥R6
为使ui1和ui2的负载相同，通常取R1=R5，R2=R4
第二章 信号放大电路
1）自动调零放大电路
R2 Ui # # Sb1 R1 K - 1 + +N1 # Sa1 ∞ - + +N4 K - 2 + + N2
Sa2
C1
#
Sb2
Uo
∞ - + +N3
a) 电路原理图
时钟发生器
自动调零放大电路
R2 R1
u0s1
K1 + + N1
Uo1
u0s2
UC1 C1
R1 ui
i1
i2
R2 ∞ +
i-
-
uo
+ N1
i+
R3
第二章 信号放大电路
反相放大器 特点: 1.低输入阻抗,稳定性好 2.共模输入电压小 设计特殊注意事项: 保证一定增益的情况下提高输入阻抗 (可以取变形形式)

第二章 信号放大电路
（二）交流放大器
交流反相放大电路 Kf= –R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3 R2 ui C1 R1


交流放大器的优点：是因为有电容器隔直，每一级 电路的静态工作点与前后级无关，电路便于调整， 缺点:是输入输出的隔直电容的频带是有限的，总会 造成信号一 定的变形，级联越多是失真也就越大。
运算放大器虚短，虚断的特点
基尔霍夫定律，结点电压法
同相，反相放大器闭环增益
第二章 信号放大电路
输入失调电压u0s :是使输出电压为零时，在输入端所 加的补偿电压。 U0s越小,表明电路参数对称性越好。
-
∞
+
uo
C3：旁路电容，防止振荡
C3R3>C1R1 抑制高噪声 平衡输入偏置电流
+ N1
R3
第二章 信号放大电路
（三）同相放大器
i2
R2
Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 // R2 uo = （1+R2 / R1）ui
高输入阻抗,易受干扰 共模误差大
R1
i1
i-
-
∞ +
输入失调电流I0s :当输出电压为零时,差分输入级的差 分对管基极的静态电流之差 。即Ios=∣IB2-IB1∣ I0s越小，运放质量越好。
零点漂移：是指当放大器的输入端短路时,在输出端有 不规律的、变化缓慢的电压产生的现象 。越小越好。
输入失调电压和输入失调电流实测
R1 R2
R3
∞
N R3
V
R1
输入失调电压和输入失调电流的调整
+15V R4 Rp
ua
Ui R1
i4 i2
R2
-15V
∞
Uo
i1
N R3
第二章 信号放大电路
（四）差动放大器 什么是差动放大器？
差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算放 大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取 出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的 共模成分。
反相放大器
同相放大器
差动放大器
第二章 信号放大电路
（五）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
1）双运放高共模抑制比放大电路
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。
第二章 信号放大电路
二、典型放大器的设计
主要应用理论：理想运放的“虚短”；“虚断”
（一）反相放大器 Kf= uo / ui = –R2 / R1 ri=R1 R3= R1 // R2 uo = –（R2 / R1）ui ＝ －Kf ui
第二章 信号放大电路
u
差动输入级
(差动放大器)
获较大 的 Au
中间放大级
(共射电路)
输出级
uo
u
(互补对称电路)
增加带负 载能力
抑制零 点漂移
偏置电路
提供偏 置电流
集成运放的基本结构
第二章 信号放大电路
几个重要术语
开环增益K: 在集成运放无外加反馈时的放大倍数。 闭环增益Kf :在集成运放加反馈时的放大倍数。 差模增益Kd :差模增益指差模信号输入时,其输出信 号与输入信号的比值 。 共模增益Kc :共模增益指共模信号输入时,其输出信 号与输入信号的比值 。
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。
第二章 信号放大电路
（六）低漂移放大电路
为减小集成集成运算放大器的失调和低频干扰引起 的零点漂移，可采用通用集成运算放大器组成的斩 波稳零放大电路货自动调零放大电路，也可采用低 漂移单片集成集成运算放大器。
第二章 信号放大电路
共模抑制比:CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 考察差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模 信号的抑制能力。 输入偏置电流:对于双极型集成运放，静态时输入级两 差放管基极电流IB1和IB2的平均值，称为输入偏置电 流，用IIB表示。 输入偏置电流越小，信号源内阻变化引起的输出电 压变化也越小，一般为10 nA～1 μA。
第二章 信号放大电路
输入失调电压u0s :是使输出电压为零时，在输入端所 加的补偿电压。 U0s越小,表明电路参数对称性越好。
输入失调电流I0s :当输出电压为零时,差分输入级的差 分对管基极的静态电流之差 。即Ios=∣IB2-IB1∣ I0s越小，运放质量越好。
零点漂移：是指当放大器的输入端短路时,在输出端有 不规律的、变化缓慢的电压产生的现象 。越小越好。
Uo
当N3输出低电平，Sb1、Sb2导 通，电路进入信号放大状 态，见图c。可推出：
R2 U O U i U 0 s1K1 U C1K1 R1 R2 U1 R1
+
C1
UC1
c) 调零放大输出
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：
输出电压较稳定； 其失调和低频干扰降低了三个数量级，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。
高共模抑制比放大电路
ui2 2、同相串联结构型 uo1=(1+R2/R1) ui1 (uo1–ui2)/R3= (ui2–uo)/R4 ui1 uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 R2 R4 2 R4 R2 R4 1 uo (1 )uic (1 )uid R1 R3 2 R3 R1R3 为了获得零共模增益，可取 R1/R2=R4/R3。 ∞ + + - N2 uo R4 R3 uo1 R2 R1
C1 +输入 －输入 G ∞ + + -N1 +输入 输出 －输入 G C1 ∞ + + -N1 R2 ∞ + + - N2 R2 C2 b) N1处于自动校零状态
R2 ∞ + + -N2 R2
C2
输出
a) N2处于自动校零状 态
第二章 信号放大电路
2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)
+ ∞ Uo 外时钟输入 Sa Sb G

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
uo
+ N1
i+
R3 ui
直流放大和交流放大是相对的，但是直流放
大器和交流放大器的区别是明显的。 输入输出不用电容器隔直的称之为直流放大 器。 输入输出用电容器隔直的称之为交流放大器。
直流放大器的优点：失真小， 缺点：每一级电路静态工作点都和前后电路相关， 又必须保证输入信号为零时的输出幅值都为零，没 有直流分量，所以电路调整困难。