第二章-信号放大电路设计.课件.ppt
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1、第二章第二章 信号放大电路信号放大电路知识回顾知识回顾 1.漂移漂移 在理想情况下,当输入信号为在理想情况下,当输入信号为0时,放大时,放大器输出的直流电压应该为器输出的直流电压应该为0,一般称此为零工,一般称此为零工作点,简称零点作点,简称零点 。 随着温度等因素的变化,若输入信号为随着温度等因素的变化,若输入信号为0时,放大器输出端却出现了一定的直流电时,放大器输出端却出现了一定的直流电压,则该直流电压就被称为压,则该直流电压就被称为“零工作点漂移零工作点漂移”,简称为简称为“零漂零漂”或或“漂移漂移” 。 知识回顾知识回顾 2. 差模输入差模输入 、共模输入、共模输入 差模输入:当差分放
2、大电路两输入端加上差模输入:当差分放大电路两输入端加上大小相等大小相等 、极性相反的信号时,称为差模输、极性相反的信号时,称为差模输入方式入方式 。此时的输入被称为差模输入信号。此时的输入被称为差模输入信号 ; 共模输入:运放两输入端加上大小相等,共模输入:运放两输入端加上大小相等,极性相同的信号时,称为共模输入方式极性相同的信号时,称为共模输入方式 。此。此时的输入被称为共模输入信号时的输入被称为共模输入信号 。知识回顾知识回顾 3.共模抑制比共模抑制比CMRR(KCMR) 用来衡量差分放大电路对差模信用来衡量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号的放大能力和对共模信号的抑制能
3、力的指标能力的指标 。它定义为差模电压。它定义为差模电压增益增益Avd与共模电压增益与共模电压增益Avc之比之比的绝对值的绝对值 ,或用分贝(,或用分贝(dB)表示。)表示。知识回顾知识回顾 4.输入失调电压输入失调电压Uos a.运放不加调零,其输入端短路并接地时,运放不加调零,其输入端短路并接地时,运放所产生的输出电压折算到输入运放所产生的输出电压折算到输入 端的电压大小;端的电压大小; b. 在运放的两输入端外加一直流补偿电压,在运放的两输入端外加一直流补偿电压,使放大器输出端的电压为使放大器输出端的电压为0(或规(或规 定值),此时外加的补偿电压即输入失调定值),此时外加的补偿电压即输
4、入失调电压电压Uos(大小相等极性相反)。(大小相等极性相反)。 知识回顾知识回顾 5.输入偏置电流输入偏置电流IB(共模信号)(共模信号) 集成运放的失调电压被补偿后,使其输出集成运放的失调电压被补偿后,使其输出电压为电压为0时,运放两输入端所需偏流的平均时,运放两输入端所需偏流的平均值。值。 6.输入失调电流输入失调电流Ios 集成运放的失调电压被补偿后,使其输出集成运放的失调电压被补偿后,使其输出电压为电压为0时,运放两输入端偏流之差的绝对时,运放两输入端偏流之差的绝对值。值。 知识回顾知识回顾 7.理想运放的性能指标理想运放的性能指标 开环差模增益开环差模增益Avd为为;差模输入;差模
5、输入电阻电阻Ri为为;输出电阻;输出电阻R0为为0;共;共模抑制比模抑制比KCMR为为;上限截至频;上限截至频率率fH=;输入失调电压;输入失调电压Uos 、输、输入失调电流入失调电流Ios 、温漂均为、温漂均为0,且无,且无任何内部噪声任何内部噪声 。一一 、测量放大电路、测量放大电路 放大微弱电压放大微弱电压 、电流、电流 、电荷信号的电路,也、电荷信号的电路,也称为仪用放大电路称为仪用放大电路 。可分为调制式。可分为调制式 、差动直接耦、差动直接耦合式合式 、自动稳定式三大类、自动稳定式三大类 。 (一)、稳零放大电路(一)、稳零放大电路 针对输入为针对输入为0mV到数到数mV的直流电压
6、,而抑制零的直流电压,而抑制零漂的情况漂的情况 。这是因为零漂成为无法与信号分离的。这是因为零漂成为无法与信号分离的“误差信号(电压)误差信号(电压)” 。当被放大的信号为微弱的。当被放大的信号为微弱的直直流信号时,必须选用斩波放大器和动态校零放大器流信号时,必须选用斩波放大器和动态校零放大器两种低漂移直流放大器对信号进行放大两种低漂移直流放大器对信号进行放大 。1. 斩波稳零放大器(调制解调型直流放大器)斩波稳零放大器(调制解调型直流放大器)(1)电路工作原理)电路工作原理 将输入的直流信号电压经斩波器(调制将输入的直流信号电压经斩波器(调制器)转换为交流电压,由交流放大器放大器)转换为交流
7、电压,由交流放大器放大后再经解调器将放大后的交流电压转换为后再经解调器将放大后的交流电压转换为直流电压直流电压 。 斩波稳零放大器的工作原理图如图所示斩波稳零放大器的工作原理图如图所示。(2)电路工作过程)电路工作过程2、自动调零放大电路(动态校零放大电路)、自动调零放大电路(动态校零放大电路)(1)设计思想和目的)设计思想和目的 将放大器的失调电压记忆在记忆电容上,将放大器的失调电压记忆在记忆电容上,然后将它回送到放大器的输入端,以抵消然后将它回送到放大器的输入端,以抵消掉放大器本身的失调电压掉放大器本身的失调电压 。电路在一定频。电路在一定频率的方波信号控制下分两个阶段工作:第率的方波信号
8、控制下分两个阶段工作:第一阶段为放大器的误差检测与寄存阶段,一阶段为放大器的误差检测与寄存阶段,第二阶段为电路的校零与放大阶段第二阶段为电路的校零与放大阶段 。 目的:消除漂移,主要是消除失调电压带目的:消除漂移,主要是消除失调电压带来的漂移来的漂移 。 (2)电路的工作原理)电路的工作原理-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 电路原理图电路原理图K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持误差保持UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出调零放大输出 3、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
9、(CAZ) (1)思想思想:CAZ运算放大器是轮运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称,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作在信号放大和自动校零两种不同的状态的状态 。 若若N1进行信号放大,则进行信号放大,则N2进行自动校零,反之亦然进行自动校零,反之亦然 。 (2)工作原理)工作原理输出C1GR2输入 -+N1-+N2R2+输入 a) N2处于自动校零状态C2C1G输入 C2+输入 输出 R2-+N1-+N2R2b) N1处于自动校零状态
10、4、斩波稳零集成运算放大器、斩波稳零集成运算放大器(1)ICL7650简介简介ICL7650是美国是美国Intersil公司首先研制的一公司首先研制的一种种CMOS单片集成动态自校零运算单片集成动态自校零运算 、放大、放大器器 。它属于第四代运放,其特点是低失。它属于第四代运放,其特点是低失调调 、低漂移(、低漂移(1V,0.01V/),高),高增益增益134dB),高共模抑制比(),高共模抑制比(130dB),),高输入阻抗(高输入阻抗(1012) 。国产型号为。国产型号为5G7650 。 (2)ICL7650的工作原理的工作原理 电路由两个运放组成电路由两个运放组成N1和和N2,其中,其中
11、N1为主放大器,为主放大器,N2为调零放大器为调零放大器 。两个运放都有第两个运放都有第3输入端输入端侧向输入侧向输入端端 。4个模拟开关个模拟开关Sa1 、Sa2 、Sb1 、Sb2由内部或外部时钟驱动由内部或外部时钟驱动 。 第一阶段:误差检测和寄存阶段,此第一阶段:误差检测和寄存阶段,此时时Sa1 、Sa2闭合,闭合,Sb1 、Sb2断开断开 ; ICL7650电路图电路图内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+-+N1+-+N2+- 第一阶段:第一阶段:误差检测和寄存阶段,此时误差检测和寄存阶段,此时Sa1 、Sa2闭
12、合,闭合,Sb1 、Sb2断开断开 第二阶段第二阶段:Sa1、Sa2断开,断开,Sb1、Sb2闭合闭合 (3)ICL7650的误差等效的误差等效 (4)ICL7650的使用的使用 ICL7650有两种封装形式,有两种封装形式,14脚脚DIP封封装和装和8脚圆形金属管壳封装脚圆形金属管壳封装 。下面是它的。下面是它的14脚脚DIP封装的引脚图封装的引脚图: 17:C1 、C2 、保护、保护 、+IN 、-IN 、保护、保护 、 -US; 8-14:C+ 、钳位输出、钳位输出 、U0 、+US 、内时、内时钟输出钟输出 、外时钟输入、外时钟输入 、GND (5)ICL7650的补充说明的补充说明
13、它的内部调制补偿电路是整个放大器频它的内部调制补偿电路是整个放大器频响的补偿电路,使放大器具有较宽的相位响的补偿电路,使放大器具有较宽的相位裕度和较宽的频响特性,钳位电路一旦出裕度和较宽的频响特性,钳位电路一旦出现过载,电路能有效的防止阻塞现过载,电路能有效的防止阻塞 。 ICL7650是一种低压是一种低压CMOS器件,电源电器件,电源电压的典型值为压的典型值为(双电源双电源) 。两个记忆电容。两个记忆电容C1 、C2需外接,均为需外接,均为0.1微法,一般宜采用漏电微法,一般宜采用漏电流较小的高质量电容器流较小的高质量电容器 。 可利用可利用ICL7650组成各种闭环放组成各种闭环放大电路,
14、如同相大电路,如同相 、反相放大器,、反相放大器,测量放大器,电桥放大器等等测量放大器,电桥放大器等等 。 由于由于ICL7650具有高精度具有高精度 、低、低漂移漂移 、高输入阻抗等特点,故可、高输入阻抗等特点,故可利用它构成微弱信号的前置放大利用它构成微弱信号的前置放大器器 。(二)、高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路-自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 适用场合适用场合:由于有的传感器(电容由于有的传感器(电容式、电感式等)的输出阻抗很高,式、电感式等)的输出阻抗很高,要与之匹配,则要求放大电路具有要与之匹配,则要求放大电路具有高输入阻抗。即该电路适合于与传高输入阻抗。即
15、该电路适合于与传感器高输出阻抗相匹配而提高放大感器高输出阻抗相匹配而提高放大器输入阻抗的情况器输入阻抗的情况。 (一)、思想思想 在主放大器的基础上,附加一个辅助在主放大器的基础上,附加一个辅助放大器,用它提供的补偿电流去减少放大器,用它提供的补偿电流去减少主放大器从信号源吸取的电流,便可主放大器从信号源吸取的电流,便可大幅度提高放大器的等效输入阻抗。大幅度提高放大器的等效输入阻抗。这是利用自举原理提高输入阻抗的基这是利用自举原理提高输入阻抗的基本思想。本思想。 如果不用这种方法提高输入阻抗,而如果不用这种方法提高输入阻抗,而是进一步加大输入端的阻抗,则由失是进一步加大输入端的阻抗,则由失调电
16、流引起的漂移将随之增加。调电流引起的漂移将随之增加。 (二)、(二)、3种常用的自举电路种常用的自举电路 1、同相交流放大电路(图、同相交流放大电路(图a)1312/11iinKRKRZRj CRU1+-U0KU1+-Ri运放的等效模型运放的等效模型U0KU1+-R3UiRR2+U2-U1+_Ii2、交流电压跟随器放大电路(图、交流电压跟随器放大电路(图b)111inZKRj CU0KU1+-RiR3R1R2Ui-U1+01013011iiiiiiiiniUKUUUURRRUUUIRRURI13113(1)(1)iiniRK RRRK RRRR11111111(1)ininZRK RKRj C
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