测控-信号放大电路.

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1、第2章 信号放大电路 2.1 运算放大器的误差及其补偿 2. 2 噪声的基础知识 2. 3 典型测量放大电路 2. 4 隔离放大电路 作用：放大传感器输出的微弱信号，种类繁多。 2.1 运算放大器的误差及其补偿 2.1.1 实际运算放大器及其特性 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 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 运算放大器

2、的误差及其补偿 2.1.1 实际运算放大器及其特性 uo ui + - +N R1 R2 R3 反相放大电路 ui + + - N uo R1R2 R3 同相放大电路 2.1 运算放大器的误差及其补偿 2.1.2 失调及其补偿 2.1.2 失调及其补偿 2.1.2.1 输入失调电压： 零点漂移： 随时间或温度的变化而引起。 引起的输出失调电压为： 输入电压为零时的输出，由于前置放大级不对称造成。 2.1.2.2 输入失调电流： 引起的输出失调电压为： 2.1.2 失调及其补偿 减小输入失调电压和输入失调电流的方法： （1）uo1=（1+R2/R1）Uos 稳定温度、放大倍数不可过大 （2） u

3、o2=IosR2 R2不可过大，一般取10100k 2.1.2.3 输入失调电压和输入失调电流的测量 1. 闭合时，输出电压为 2. 打开时，输出电压为 2.1.2 失调及其补偿 2.1.2.4 输入失调电压和输入失调电流的调整 1外部调整法 （1）把调整电压 (mV)加 在运放的反相输入端 2.1.2 失调及其补偿 调 零点调整。 2.1.2 失调及其补偿 （2）把调整电压 (mV)加在运放的同相输入端 调 零点调整。 2内部调整法 通过运放的调整端子，调 零点调整。 2.1.3 转换速率和最大不失真频率 1转换速率： （表示输出电压跟随输入电压的能力 ） 运算放大器的输入为正弦波时，而输出

4、为三角波的斜率 。 2最大不失真频率： 若 ，则最大速率为： 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿 1加相位滞后RC网络 2加相位超前RC网络 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿 3.在负反馈放大器中，若输出与输入相位移相 ，则 负反馈正反馈，从而产生自激振荡，故外加RC补偿网络。 2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿 4常用的相位补偿电路 2.2 噪声的基础知识 噪声：就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把 外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。 一、电子线路固有特性噪声可分为 1、热噪声：由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声 k

5、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()。 2.2 噪声的基础知识 2、低频噪声：与晶体管表面状态以及PN结漏电流有关的噪声 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)。 2.2 噪声的基础知识 3、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

6、系统的噪声带宽 (Hz)。 2.2 噪声的基础知识 二、电子线路固有特性噪声可分为 1、白噪声 白噪声或白杂讯，是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随 机过程。信号在各个频段上的功率一样，由于白光是由各种频 率（颜色）的单色光混合而成，因而信号的这种具有平坦功率 谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声。 2、有色噪声 相对白噪声不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。 2.2 噪声的基础知识 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。 减小漂移影响的主要措施 （1）采用低漂移放大

7、电路； （2）合理设计偏置电路； （3）采用信号调制解调。 作用：放大传感器输出的电压、电流或电荷信号。 类型：由传感器决定。如：应变式传感器采用电桥放大 电路，压电式传感器采用电荷放大电路。 2.3 典型测量放大电路 几个重要术语： 差模信号：集成运放两输入端同时输入极性相反的信号。 共模信号：集成运放两输入端同时输入极性相同的信号。 差模增益Kd：差模信号输入时的增益。 共模增益Kc：共模信号输入时的增益。 共模抑制比：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc。 开环增益K：集成运放在开路状态下的差模增益。 闭环增益Kf：集成运放在闭环状态下的差模增益。 测量放大电路的基本要求 输入阻抗应与传

8、感器输出阻抗相匹配； 稳定的放大倍数； 低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； 足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比； 可调的闭环增益； 线性好、精度高； 成本低。 1、反相放大电路 特点：性能稳定，输入阻抗（R1）低 。 而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。 uo R3 ui R1 R2 N - + + 2、提高输入阻抗和增益的变形反相放大电路 要求： uo R3 ui R1 R2 R5 R4 N - + + 增益提高了 特点：输入阻抗高，易受干扰（没有虚地共模电压大） 。 3、同相放大电路 R2 uo R3 ui R1 N - + + 4、跟随放大电路

9、特点：输入阻抗高，输出阻抗小，电压跟随，电流放大。 R2 uo ui R3 N - + + 5、差动放大电路 定义：把二个输入信号分别输入到运算放大的同相和反相二 个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，抑制二 个信号的共模成分。 R3 uo R4 ui2 R1 R2 ui1 + - + N uo + - + N ui1 R1 R2 R4 ui2 R3 ui1作用时电路的输出uo1 ui2作用时电路的输出uo2 令Kc =0，得 R2/R1=R4/R3 ， 即取R2/R1=R4/R3得： uo + - + N ui1 R1 R2 R4 ui2 R3 为减少器件品种和提高工艺性，工程上常取

10、： R1=R3，R2=R4。 uo + - + N ui1 R1 R2 R4 ui2 R3 特点：只有差模信号，CMRR高达80分贝，但Zi较低，增益调 节困难。 关于高共模抑制比放大电路的几个概念 （1）作用：用来抑制传感器输出的共模电压，提高共模抑制 比 。 （2）应用场合：要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人 体心电测量，信号很微弱，而干扰很大。 （3）方法：采用多个集成运放串联组成的测量放大电路；采 用差动放大电路，使ui1和ui2的共模电压抵消，但要求外接电 阻完全平衡对称。 关于分贝的几个概念 （1）分贝dB 是以美国发明家贝尔（decibel）命名的。因为贝 尔的单位太粗略

11、而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此 前面加了“分”字，代表十分之一。1分贝等于1/10贝尔。声学领 域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘10的 数值。用于形容声音的响度。 （2）还可表示两种电压或电流值或类似声量(如声压或质点速 度)之比的一种单位，等于电压或电流比的常用对数的20倍，如 果两种电压或电流是在相同电阻上测得的话。 （3）功率量：因此功率值A与另一个功率值B之比用分考虑功 率或者强度时, 其比值可以表示为分贝，这是通过把测量值与 参考量值之比计算基于10的对数，再贝表示为：dB=10lg(A/B) 。 （4）场量：考虑到场的幅值时，通常使用A的平方与B的平方

12、之比。这是因为大多数场量应用的功率与幅值的平方成比例； 并期望对同一应用采取功率计算的分贝与用场的幅值计算的分 贝相等。因此使用下述场量的分贝定义：dB=20lg（A/B） =10lg（A2/B2）。 （5）对数标度表示的优点：例如，用对数标度来表达声音和 噪音人类的听觉反应，是基于声音的相对变化而非绝对的变化 。，对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应，1分贝正好 是人类能够区分的声音差别。你知道一个声音与另一个声音结 合时，会产生什么结果吗？我们都知道60个苹果加60 个苹果， 等于120个苹果。但是，这并不适用于以分贝来表示的声音。 事实上，60分贝加60分贝只等于20lg2+60=66

13、分贝。 20lg(A/B)=60分贝，即A/B=103 。两个声音合成是声压叠加： 20lg(A/B+A/B)=20lg(2103 )= 20lg2+ 20lg(A/B)= 66分贝。 （7）共模抑制比 共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与 共模增益的比值： CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc。 由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万 倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝 方式记录和比较，CMR=20lg(Kd / Kc)。一般运放的共模抑制 比在80dB（Kd / Kc=104），几个运放组成的测量放大电路的 共模抑制比可达100120dB之间

14、。 6、反相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路 ui2 ui1 R1 R2 R4 R6 R5 R3=R1R2 R7 =R4R5R6 uo + - + N2 + - + N1 uo1 ui2 ui1 R1 R2 R4 R6 R5 R3=R1R2 R7 =R4R5R6 uo + - + N2 + - + N1 uo1 ui2 ui1 R1 R2 R4 R6 R5 R3=R1R2 R7 =R4R5R6 uo + - + N2 + - + N1 uo1 uo=(R6R2/R4R1-R6/R5) uic +(-R6R2/2R4R1-R6/2R5) uid 令Kc =0，得R2/R1=R4/R5 即取R2/R1=R4/R5得 只有差模信号，但输入阻抗低。 通常取：R1=R5，R2=R4 外接电阻平衡对称。 7、同相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路 uo ui2 ui1 R4 R3 uo1 R2 R1 + - + N1 + - + N2 uo ui2 ui1 R4 R3 uo1 R2 R1 + - + N1 + - + N2 IR 令Kc =0，得R1/R2=R4/R3 即取R1/R2=R4/R3得 uo ui2 ui1 R4 R3 uo1 R2 R1 + - + N1 + - + N2 只有差模信号，输入阻抗很高