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1、2019/10/20,2. 信号放大电路,2. 信号放大电路,何谓测量放大电路？ 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。 测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。,基本要求： 低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； 高共模输入范围和高共模抑制比； 一定的放大倍数和稳定的增益； 线性好； 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 足够的带宽和转换速率。 以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。,2. 信号放大电路,从灵和安全可靠出发，还需要： 可调闭环增益放大电路； 参量放大电
2、路； 电荷放大电路； 隔离放大电路。 也有利于提高精度。 还需要考虑低成本。,2. 信号放大电路,2019/10/20,2. 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,高输入阻抗放大电路,低漂移放大电路,电桥放大电路,2019/10/20,2. 信号放大电路,隔离放大电路,电荷放大电路,增益可控放大电路,2019/10/20,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源 2.1 运算放大器件的主要误差源,序号 参数名称 理想值 实际值 1 差模增益 90100dB以上 2 共模增益 0 0dB以上 3 输入阻抗 100k数兆欧 4 输出阻抗 0 10数百欧 5 带
3、宽 0 010Hz（或010kHz） 6 动态范围 0供电电压 有限部分 7 输入失调电压 0 纳伏至毫伏 8 输入失调电流 0 皮安至微安 9 噪 声 0 纳伏至微伏,2.1 测量放大电路的主要误差源,2. 信号放大电路,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。,2019/10/20,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,式中 k 玻耳兹曼常数，k =1.3810-23J/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()。,噪声 噪声就是干扰有用信号的某种不希
4、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,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,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=0.81.5，a通常为1； f 工作频率(Hz)。,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 式中 q 电子电荷，为1.5910-19C； IDC 直流电流(A)； B 测量系统的噪声带宽 (Hz)。,
5、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。,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）合理设计偏置电路； （R3= R1 / R2 ） （3）采用信号调制解调。,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要误差源,1、 VIO、IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容C，
6、则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,1、 VIO、IIO不为零时的情况,在许多情况下需要测量的参数是差值 形状误差、位置误差、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,2.2 高共模抑制比放大电路,精,一、基本差动放大电路 基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大电路的组合,2. 信号放大电路,同相放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,2019/10/20,一、基本差动放大电路,2.信号放大电路,ui1作用时电路的输出uo1,ui2作用时电路的输
7、出uo2,2.2 高共模抑制比放大电路,独立作用原理,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,取R2/R1=R4/R3,具有共模抑制能力。,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,一、基本差动放大电路,电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,二、同相串联高共模抑制比放大电路,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,2.2 高共模抑制比放大电路,基尔霍夫定理,2.信号放大电路,二、同相串联高
8、共模抑制比放大电路,取,2.2 高共模抑制比放大电路,增益与共模抑制比牵连,2.信号放大电路,三、三运放高共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,RP调整两臂平衡,2.信号放大电路,电路特点： 输入阻抗高； 增益调整方便； 对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。,三、三运放高共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容C1和C2 ，以及传感器和传输电缆内阻RS1和RS2将在放大器输入端形成两个积
9、分电路。共模输入信号uic 在RS1、RS2上产生jRS1C1uic、jRS2C2uic的压降,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,引起输出端差模电压,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,对于原来 的电路,2.2 高共模抑制比放大电路,uo,引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。,2.信号放大电路,四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.2 高共模抑制比放大电路,（1）差动放大器件特性不一致 共模电压产生差动电压 引起共模抑制比变化,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,2
10、.2 高共模抑制比放大电路,（2）差动放大器特性不理想 共模增益同时受阻抗不匹配和运算放大器N3的有限共模抑制比影响， 由阻抗不匹配引起附加共模增益 运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,2.2 高共模抑制比放大电路,2.信号放大电路,五、运放器件偏离理想特性的影响,（2）差动放大器特性不理想 总附加共模增益比 总共模抑制比,2.2 高共模抑制比放大电路,某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直流缓变信号，漂移是一个关键难题。常用措施包括(1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放大电路。 许多情况下难以在传感器内直接
11、调制，减小测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。 集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出，对失调电压进行校正，实现自动调零。,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,精,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,一、自动调零放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,2. 信号放大电路,2.3 低漂移放大电路,性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路； 输出电压较稳定； 波动小； 电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位
12、模拟开关CD4066即可组成）； 适用于毫伏级的低电平放大。,二、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。,问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？ 什么场合下采用较为合适？,输出,C1,G,输入,C2,+输入,输出,R2,-,+,+,N1,-,+,+,N2,R2,C1,G,R2,输入,-,+,+,N1,-,+,+,N2,R2,+输入,a) N2处于自动校零状态,b) N1处于自动校零状态,C2,三、斩波稳
13、零集成运算放大器（ICL7650),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Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。 校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。,此时， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 问题： 该
14、电路的增益是如何提高的？ 该电路的输入失调电压是如何减小的？ 该电路的共模抑制比是如何提高的？ 该电路有哪些优点？,具有高增益、失调电压影响小、高共模抑制比和高输入阻抗等优点，可以作为差动放大器，是一种近似理想的集成运算放大器。,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,问题提出：电路的接入不应该影响原系统工作状态 有些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，可达108以上，这就要求其测量放大电路具有很高的输入阻抗，不至于因为放大电路的接入使传感器输出信号大幅度下降。开环集成运算放大器的输入阻抗通常都很高，但反相运算放大电路等，其输入阻抗远低于同相运算放大电路。,精,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,b) 跟随电路,a) 同相放大电路,采用同相输入具有很高输入阻抗,2019/10/20,2. 信号放大电路,uo,2.4 高输入阻抗放大电路,对于交流放大器需要为电容提供放电通道，它使输入阻抗大幅度下降,交流放大电路,2019/10/20,c)自举式高输入阻抗放大电路,自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,2019/1
