检测电路传感器教案2课件.ppt

1、Au=1十RiR2R1-+A+-USRSR2UFU0输入阻抗输入阻抗增益增益ri+=ri(1十AF)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uARRRF/1212例：某放大器例：某放大器ri 104开环增益为开环增益为104，F 0.1（闭环（闭环增益为增益为10），则放大器的闭环输入阻抗为），则放大器的闭环输入阻抗为107。USS+-U0-+AR1R2Rf限制带宽增益增益特点特点：性能稳定，但输入阻抗较低性能稳定，但输入阻抗较低注意注意：在实际电路中，由于电阻在实际电路中，由于电阻的最大值不能超过的最大值不能超过10M，R如果要提高

2、反相放大器的如果要提高反相放大器的输入阻抗，电路的增益要输入阻抗，电路的增益要受到限制。受到限制。U0-+R1R2Rfi1ioAIS增益增益U0-+AR1R1R2R2UCUS/2US/2UU+U1U2+-SURRUURRU2112210）（扩大输入共模电压范围增益增益特点特点：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。I1R2R1UiA1U0A2RpR1RpR2R2IIiU0111RRRRIURiii-+-A1RUURUIoiii11ooURRU2112ioURRU12iioUURRRRU2)(2(12211iiiiiURRRRRUURUI11121.闭环状态斩波稳零

3、放大器闭环状态斩波稳零放大器 1200T1T1T2T2A1OSC+_A2+_UiC1S1S3S212A3_+UoC2图中开关图中开关S2和电容和电容C1以及以及S3、C2、A3分别构成两个采样分别构成两个采样保持保持电路。第一个采样电路。第一个采样保持电路用来保持电路用来对放大器对放大器Al进行动态校零进行动态校零；第二个采样第二个采样保持电路用来保持电路用来维持输出电压的连续性维持输出电压的连续性。内部时钟内部时钟CP由振荡器由振荡器(OSC)提供，若在时钟。提供，若在时钟。0T1时间内，开时间内，开关关S1、S2、S3，停在，停在端位置，即端位置，即S2接通、接通、S1、S3断开，相应电断

4、开，相应电路状态如下图。路状态如下图。电路的工作分两个阶段，由电路的工作分两个阶段，由时钟控制开关完成。时钟控制开关完成。第一阶段为误差检测与寄存第一阶段为误差检测与寄存第二阶段为动态校零和放大第二阶段为动态校零和放大放大器工作状态之一放大器工作状态之一A2+_A1+_UOS1UC1UOS2UO1C1+_UC2UOA3_+C2+_在此时间内在此时间内vcosoAUUU1111)(voscAUUU20121)(221212121111osvvvosvvvvcUAAAUAAAAU11211osvososcUAUUU11211osvososcUAUUU电容电容Cl记存了记存了Al的失调电压的失调电压

5、Uos1，此段时间是放大器误差检测和，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。寄存阶段。由于此时由于此时A3与与A1之间被切断之间被切断(S3断开断开)，所以，所以A3的输出电压的输出电压UO为为 U0=Uc2 C2上记有的电压上记有的电压Uc2，是前一时刻，是前一时刻放大器放大器A1的输出电压。的输出电压。在时钟在时钟T1T2时间内，开关时间内，开关S1、S2、S3停留在停留在端位置上，即端位置上，即S1、S3接通、接通、S2断开，相应的电路状态如图断开，相应的电路状态如图 放大器工作状态之二放大器工作状态之二A1+_A3_+Ui+_Uos1Uc1Uc2Uo1C1C2U0这时，这时，Al同相端与

6、输入信号同相端与输入信号Ui接通，由于接通，由于A1的反相端还保存着前的反相端还保存着前一时刻的失调电压一时刻的失调电压Uc1Uos1，所以这时，所以这时A1的输出电压的输出电压Uol为为 ivososivcosivoUAUUUAUUUAU11111111)()(上式表明，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“动态校零和放大动态校零和放大输入信号输入信号”的工作阶段。这时总输出电压的工作阶段。这时总输出电压Uo为为 ivcooUAUUU121当时钟控制开关再

7、回到当时钟控制开关再回到端位置时，端位置时，Uc2保持不变，放大器保持不变，放大器A3(接成跟随器工作接成跟随器工作)继续以继续以A1vUi的幅值向外输出，保证了输出的幅值向外输出，保证了输出电压的连续性。电压的连续性。开关的反复通断，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。开关开关S1、S2、S3一般用一般用MOSFET完成。完成。2.开环状态斩波稳零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失调误差逐级存储放大器)开环状态斩波稳零放大器原理图开环状态斩波稳零放大器原理图+_A2+_A1UiUosUo1UcU01S

8、1S2CU0当开关当开关S1、S2都接地，即开都接地，即开关处于图示位置时，放大器关处于图示位置时，放大器输入端对地短路，输出失调输入端对地短路，输出失调电压电压Uoff使电容器使电容器C两端充两端充电至电至Uc=Uoff。Uoff为为 Uoff=A1dUos 电容电容C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器C又又称为称为记忆电容器记忆电容器。A1d为为A1放大器的开环电压增益。放大器的开环电压增益。当开关当开关S2断开，断开，S1接通输入信号接通输入信号Ui时，放大器输出电压时，放大器输出电压U0为为)(11osdidoUAUAU输出到下一级

9、的电压输出到下一级的电压oUidoffosdidcooUAUUAUAUUU111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。即失调电压被存储在输出回路的串接电容两端，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，必须防止放大器被失调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，一般低于电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于100倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成

10、逐倍。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级采样存储MOS集成运放，如图。集成运放，如图。UoUi+_A1+_A2+_A3 S1S2S3S4C1C2Cn电路工作的两个阶段由时钟控制电路工作的两个阶段由时钟控制MOSFET开关完成。开关完成。以上分析建立在下一级以上分析建立在下一级Ri无穷大、无穷大、Ci为零的理想条件下。如果为零的理想条件下。如果不满足条件，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，时钟的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟控

11、制脉冲经分布电容耦合到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，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，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，可进在实际电路中，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模拟集成电路模拟集成电路之中，如用作之中，如用作AD(模数模数)转换器或比较器。转换器或比较器。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

12、级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器第一级，第二级为差动放大器减法器减法器-+A3-+A1-+A2R4R6R7R5R2R1RGV1V2V4V5V3V6V0IGGGGRVVRVVI21542211143RRVVVRIVVGG2212256RRVVVRIVVGGGfRRRVVVVA2121631145345767601RRVRRRRRVV)(21)(2145136450VVRRRRVVRRVG453602RRVVVAf45121021RRRRVVVAGfGfRRA121失调参数的影响失调参数的影响+-A3-+A2+-A1R1V2V1RGR2=R1R4R4R5R5V0V3假设由

13、三运放失调电压假设由三运放失调电压VOS及失调电流及失调电流IOS所引起的误差所引起的误差电压折算到各运放输入端的值分别为电压折算到各运放输入端的值分别为V1、V2和和V3,误误差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压为：为：)1()()21(453214510RRVVVRRRRVG若若R4=R5 321102)(21(VVVRRVG图示极性的图示极性的V1和和V2所引起的输入误差是相互抵消的。所引起的输入误差是相互抵消的。若运放若运放A1和和A2的参数匹配，则失调误差大为减小。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

14、折算到放大器输入端的值为2V3/Af1，所以等效失调参，所以等效失调参数很小，即对运放数很小，即对运放A3的失调参数要求可降低些。的失调参数要求可降低些。A1VoR11R1A3R8Vi2R7R6Vi1R9R10A2R2R3R4R5RW氖泡NL222kNL122k氖泡10k10k2k22k22k22k22k 2k9k10k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，图中使用了两个微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型的氖灯NL1、NL1，作为，作为电压

15、限幅器电压限幅器。微型的氖灯价廉且具有对。微型的氖灯价廉且具有对称性，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(一般为一般为60V)，则氖灯迅速导通，则氖灯迅速导通(击穿后，氖灯本身呈负阻特性击穿后，氖灯本身呈负阻特性)，使其两端，使其两端的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器RW用于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，在两输调整电阻的比例使得电路的

16、共模抑制比最大。调试电路是，在两输入端加载一个入端加载一个1V左右的信号左右的信号(一般为一般为50Hz)，调整电位器，调整电位器RW使电路使电路的输出最小，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。如果电路中有需要调整的参数，通如果电路中有需要调整的参数，通常是电阻阻值（有时也需要调整电常是电阻阻值（有时也需要调整电容值），把要调整的参数分成两部容值），把要调整的参数分成两部分：固定部分和可调整部分。在一分：固定部分和可调整部分。在一般的要求时，固定部分的取值为该般的要求时，固定部分的取值为该参数总的标称值的参数总的标称值的90%，可变部分，

17、可变部分为为20%。在要求比较高时，固定部。在要求比较高时，固定部分的取值为该参数总的标称值的分的取值为该参数总的标称值的99%，可变部分为，可变部分为2%。指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号。利用光或磁来耦合信号。iFiOiFiO()iFiOceiFiOec()硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小电流与大电流增益严重不一致，传输线性较差；达电流与大电流增益严重不一致，传输线性较

18、差；达林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，但传输线性最差。一般使用但传输线性最差。一般使用硅光敏三极管或达林顿硅光敏三极管或达林顿型光电耦合器型光电耦合器作模拟信号传输时，应合理地选择工作模拟信号传输时，应合理地选择工作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增益低的缺点。益低的缺点。VCCViA2R W 1R1OE1VCCVOECCECCR W 2R W 3R W 4R2R3OE2A2VCCVCCA1ViR2R1A2R3TOEVOE