测控电路第二章信号放大电路课件.ppt

1、 Contents运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿1 1典型测量放大电路典型测量放大电路2 2隔离放大电路隔离放大电路3 3噪声的基础知识噪声的基础知识4 4 2.1 2.1 运算放大器的误差及其补偿运算放大器的误差及其补偿一、实际运算放大器及其特性一、实际运算放大器及其特性理想理想实际实际差模增益差模增益kd90 90 100 dB100 dB以上以上共模增益共模增益kc0 00 dB0 dB以上以上输入电阻输入电阻ri100K 100K 数百兆数百兆输出电阻输出电阻ro0 010 10 数百数百带宽带宽0 0 0 010Hz10Hz（或（或0 010kHz10kHz）相移相

2、移0 0不可能不可能 二、失调及其补偿二、失调及其补偿v 输入失调电压输入失调电压：集成运算放大器输出直流电压为零时，所：集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压。加的补偿电压。常用代号常用代号Uos (mV数量级）数量级） v 输出失调电压：输出失调电压： Ui=0，输出不为，输出不为0时输出端的电压时输出端的电压补偿补偿a. 外接失调补偿网络外接失调补偿网络b. 运放常有失调调零端运放常有失调调零端RP接入反相端接入反相端RP接入同相端接入同相端 v Op07Op07集成运算放大器集成运算放大器1、8脚之间就是输入失调电压的调零端脚之间就是输入失调电压的调零端 v 输入失调电流输入

3、失调电流：在标称电源及其室温下，当集成运放的输：在标称电源及其室温下，当集成运放的输出电压为出电压为0 0时，流入时，流入放大器放大器两输入端的静态基极电流之差。两输入端的静态基极电流之差。IBPIBPIBNIBNVEEVCCVOIOS=|IBPIBN| 三、运放的振荡与相位补偿三、运放的振荡与相位补偿UiUioUfUo电流、电压反馈电流、电压反馈：将负载电阻短接，：将负载电阻短接，看反馈信号是否消失，若消失，则为看反馈信号是否消失，若消失，则为电压反馈，反之电流反馈。电压反馈，反之电流反馈。XoXiXsXfAAAXXso1自激振荡自激振荡：指在没有输入信号时（：指在没有输入信号时（Ui=0)

4、，放大电路也有输出（放大电路也有输出（Uo0），通常可以），通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。由示波器观测到输出的振荡波形。一个具有负反馈电路的放大器，只要一个具有负反馈电路的放大器，只要A产生产生180的相位差，即可能激发振荡。的相位差，即可能激发振荡。环路增益的相位环路增益的相位 由于一般的由于一般的OPA内部是由内部是由23段的放大器组成，出现三个极段的放大器组成，出现三个极点的机会相当多。在高频区将产生附加相移，可能使负反馈点的机会相当多。在高频区将产生附加相移，可能使负反馈变为正反馈，如反馈深度较深，即变为正反馈，如反馈深度较深，即 1，就会产生自激振荡，就会产生自激振荡，从而使

5、运放无法稳定地工作。从而使运放无法稳定地工作。最基本的方法就是把最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来工作。移到更低的频率处来工作。相位补偿：相位补偿：在反馈放大电路的适当部分加入在反馈放大电路的适当部分加入RC网络，以改网络，以改变变AF的频率响应。的频率响应。uoR3uiR1R2- -+ + +N1C2防止自激振防止自激振荡的荡的C1很多集成运很多集成运放都有外接放都有外接相位补偿网相位补偿网络端络端 2.2 2.2 典型测量放大电路典型测量放大电路v 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。例如：电阻应变式传感器例如：电阻应变式传感

6、器电压放大器电压放大器 光电池、光敏电阻光电池、光敏电阻电流放大器电流放大器一、测量放大电路的基本要求和类型一、测量放大电路的基本要求和类型阻抗匹配阻抗匹配 增益稳定增益稳定低噪声低噪声 低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比可调的闭环增益可调的闭环增益线性好、精度高线性好、精度高成本低成本低测量放大电路测量放大电路（按结构原理）（按结构原理）差动直接耦合

7、式差动直接耦合式调制式：斩波稳零调制式：斩波稳零自动稳零式：自动稳零放大电路自动稳零式：自动稳零放大电路单端输入（同相、反相单端输入（同相、反相)放大电路放大电路电桥放大电路电桥放大电路电荷放大电路电荷放大电路 二、反相放大电路二、反相放大电路uoR3uiR1R2- -+ + +N1闭环增益闭环增益 Kf= uo / ui = R2 / R1输入阻抗不高，输入阻抗不高， 在提高放大器的输入阻抗与提高电在提高放大器的输入阻抗与提高电路的增益之间存在一定的矛盾，可路的增益之间存在一定的矛盾，可用变形一（用变形一（P22图图2-10)。带滤波器的反相放大器见变形二（带滤波器的反相放大器见变形二（P2

8、2图图2-10)。 uoR3uiR1R2-+N1C1C3交流反相放大电路： Kf= R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡 C3R3C1R1 三、同相放大电路三、同相放大电路uoR3uiR1R2- -+ + +N1Kf= uo / ui = 1+R2 / R1同相输入运算放大器的同相端和反相同相输入运算放大器的同相端和反相端都等于输入电压，相当于输入端有端都等于输入电压，相当于输入端有一个共模信号，因此构成同相放大器一个共模信号，因此构成同相放大器时要求运放有较高的共模抑制比和较时要求运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。大的共模信号输入电压范围。

9、特例：电压跟随器特例：电压跟随器0uiuFR2R平衡电阻平衡电阻 uoR3uiR1R2- -+ + +N1C1同相交流放大电路同相交流放大电路C1：隔直电容隔直电容交流电压跟随电路交流电压跟随电路 四、差动放大电路四、差动放大电路R2uoR4ui2R1- -+ + +N1R3ui1什么是差动放大器？什么是差动放大器？ 差动放大器差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。共模成分。R2uo

10、R4ud/2R1- -+ + +N1R3ud/2uic基本电路基本电路共模与差模输入共模与差模输入 0R2R4ui2R1uoR3ui1等效电路等效电路差模电压差模电压uid= ui2ui1 , 共模电压共模电压uic=(ui1+ ui2)/2由等效电路可得由等效电路可得若若R1=R3，R2=R4，则则uo= (R2/R1) ud即即只对差模信号进行放大只对差模信号进行放大112234412)1 (iiouRRuRRRRRuidiciidiciuuuuuu212121 抑制能力的大小，常用共模抑制比抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR来表示来表示cdKKCMRR共模增益差模增益如何求差动放大电

11、路的共模抑制比？如何求差动放大电路的共模抑制比？要使要使CMRR，可得，可得3412RRRR工程上为了减少器件品工程上为了减少器件品种和提高工艺性种和提高工艺性R1=R3R2=R4iddiccidicuKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)(21)(12121434121214340 五、高共模抑制比放大电路五、高共模抑制比放大电路什么是高共模抑制比放大电路？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。称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于何种场合？应用于要求共模

12、抑制比大于应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测的场合，例如人体心电测量。一般的运放共模抑制比量。一般的运放共模抑制比80db左右左右 所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比制比100120dB(一）双运放高共模抑制比放大电路一）双运放高共模抑制比放大电路1.反相串联结构型反相串联结构型 ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo- -+ + +N1- -+ + +N2AN1反相放大反相放大112iAuRRu5246RuRuRuiAo524112RuRuRRii25614612iiouR

13、RuRRRRu可见当可见当5412RRRR，ui1=ui2时时uo=0共模抑制共模抑制通常取通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比与电阻精度有关系。，共模抑制比与电阻精度有关系。 2.2.同相串联结构型同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1+ +- -+ +N2+ +- -+ +N1N1同相放大同相放大1121)1 (iouRRuN2同相放大，输出端有同相放大，输出端有42321RuuRuuoiio13412234)1 ()1 (iiouRRRRuRRu共模电压：共模电压：221iiicuuu差模电压：差模电压： uid=ui2-ui1上式改为：上式改为：idicouRRRRR

14、RuRRRRu)21 (21)1 (3142343412如何得到零共模增益？如何得到零共模增益？3421RRRR同时，同相输入，输入阻抗很大同时，同相输入，输入阻抗很大 ( (二）三运放高共模抑制比电路二）三运放高共模抑制比电路uoui1ui2uo1uo2R1RoR2R7RPR8R3R4R6R5+ +- -+ +N1IR- -+ + +N2- -+ + +N3大范围增益调整电路大范围增益调整电路差分放大差分放大012111222RuuRuuRuuIiioiioR1022022201101111iioiiouRRuRRuuRRuRRu)(1 (122112iiOoouuRRRuuidOuRRR)

15、1 (21差模增益差模增益：OiioodRRRuuuuk2112121 由此我们可以看到由此我们可以看到共模信号是被抑制的，且不要求外共模信号是被抑制的，且不要求外部电阻匹配部电阻匹配，同时为了消除，同时为了消除N1、N2输入失调电流，取输入失调电流，取R1=R2，调节电位器，调节电位器Ro，还可改变差模增益，这就是，还可改变差模增益，这就是我们所说的我们所说的大范围增益调整电路大范围增益调整电路N1N2两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级N3 双端输入单端输出差放双端输入单端输出差放OiioodRRRuuuuk2112121 缺点：缺点：N

16、1和和N2的的CMRR1、CMRR2不相等时，会把输入端的共模信不相等时，会把输入端的共模信号传到号传到 输出端。输出端。同时，同时，N3输出级输出级353RRkd前提：前提：R3=R4，R5=R6电阻偏差很大，影响输出，精度控制在电阻偏差很大，影响输出，精度控制在0.1之内之内N3两端之间接入两端之间接入R7和和R8和和RP共模补偿电路，调节共模补偿电路，调节RP，可补偿电阻的不对称。，可补偿电阻的不对称。 无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放AD612典型的三运放结构典型的三运放结构 六、电桥放大电路六、电桥放大电路（= =传感器电桥传感器电桥+

17、 +运放）运放）电感式电感式电阻应变式电阻应变式电容式传感器电容式传感器通过电桥转换电路输出电压或通过电桥转换电路输出电压或电流信号电流信号何谓电桥放大电路？何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。 Z1Z2Z4Z3R2R1bauou- -+ + +Na) 反相输入反相输入uZZZZZZZZRRuo)()1 (4231413212如果如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），），为传感器电阻的相对变化率为传感器电阻的相对变化率2/14)

18、1 (12uRRuo非线性非线性在在1时，时，4)1 (12uRRuo此时，输出电压与电桥电阻此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受无关，灵敏度不受R影响影响1、单端输入电桥放大电路、单端输入电桥放大电路uZZZZZZuab313424uZZZZZZRRRuo313424211 uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub- -+ + +N线性电桥放大电路线性电桥放大电路uRRRRuRRRRRRRuo31231231312)(1 (若若R2=R(1+)，R3=R（传感器标称电阻）时，传感器标称电阻）时，RRRuuo1注意：注意：uo与与成正比，但是缺点是灵敏度与桥臂电阻成正比，但是缺点是

19、灵敏度与桥臂电阻R有关有关但但a，b之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小2、线性电桥放大电路、线性电桥放大电路1221121)(RRuRRuuRRRuuuooa313RRuRub线性线性 七、低漂移放大电路（稳零放大电路）七、低漂移放大电路（稳零放大电路）为了为了减少失调减少失调减小低频干扰减小低频干扰常采用常采用斩波稳零放大电路斩波稳零放大电路自动调零放大电路自动调零放大电路（一）斩波稳零放大电路（一）斩波稳零放大电路又称又称调制式放大电路调制式放大电路原理：同步调制原理：同步调制解调解调 输入直流或缓慢变化的信

20、号输入直流或缓慢变化的信号Ui经调制器（斩波器）调制成频率较高经调制器（斩波器）调制成频率较高的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大，最后由解调器解调输出放大了的输入信号。放大，最后由解调器解调输出放大了的输入信号。由于信号在调制后与由于信号在调制后与解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。 但这只但这只针对低频信号针对低频信号，为了能在较宽频率范围内工作，可采用下图，为了能在较宽频率范围内工作，可采用下图所示的典型斩波稳零放大电路所示的典型斩波

21、稳零放大电路 （二）自动调零放大电路（二）自动调零放大电路N1主放主放N2误差保持误差保持N3时钟发生器（方波发生器）时钟发生器（方波发生器）N4N3的反相器的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模拟开关模拟开关N3驱动驱动Sa1、Sa2，高电平导通，高电平导通 K2C1UC1Uo1R1R2K1- -+ + +N1- -+ + +N2b) 误差保持误差保持前半周：前半周： N1输入接入地，只存在输输入接入地，只存在输入失调电压入失调电压Uos1输出输出Uo1N2放大放大C1保持保持Uc1Uos1C1寄存了寄存了N1的输入失调电压的输入失调电压11112211)()(KUUUKUUUCosooo

22、C UoC1UiR1R2K1- -+ + +N1c) 调零放大输出调零放大输出后半周：后半周：接通接通Ui， Ui反相放大反相放大+输入输入失调放大失调放大+C1的寄存电压的寄存电压Uo(R2/R1)Ui自动调零自动调零优点：优点：1、输出电压稳定，波动小。、输出电压稳定，波动小。2、失调和低频干扰小、失调和低频干扰小 。 3、成本低、成本低适用于毫伏级的低电平放大。适用于毫伏级的低电平放大。111112KUKURRUUCosio （三）低漂移（三）低漂移集成运算放大器集成运算放大器v 1.1.轮换自动校零集成运算放大器轮换自动校零集成运算放大器CAZCAZ运算放大器运算放大器v 2.2.斩波

23、稳零集成运算放大器斩波稳零集成运算放大器ICL7650 ICL7650 高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高输高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高输入电阻（入电阻（10101111），输入失调电压），输入失调电压(1(15 5）uVuV，普通运放，普通运放(2(26 6）mVmV。 八、高输入阻抗放大电路八、高输入阻抗放大电路 电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。108以上以上虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大器的输入阻抗虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大器的输入阻抗Rs时，时，2222)(4)(snnsniRItUB

24、kTRtU等效噪声电压等效噪声电压Uni(t)与与放大器自身参数有关放大器自身参数有关信号源内阻有关信号源内阻有关当当Rs=0时，时，)()(22tUtUnni与电压噪声有关与电压噪声有关当当Rs足够大时，足够大时，222)(snniRItU与电流噪声有关与电流噪声有关p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be写在最后感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日