《02第二章信号放大电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《02第二章信号放大电路（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章信号放大电路 放大电路功能 作用 对传感器输出的弱信号进行放大 以便去进行转换处理 推动指示器 记录器或控制机构 由于传感器的输出信号形式和大小不相同 其所处环境条件 噪声也不相同 则放大电路的形式及性能指标也不相同 有时要求对放大增益能程控 有时要求进行线性化 有时要对强噪声背景下的信号进行提取 有时还要求对传感器与放大电路隔离 放大电路的形式 在放大电路中 分立元件的放大电路基本淘汰 取而代之的是由运算放大器组成的各种类型的放大电路 以及专有性能的单片集成放大器 集成运算放大器简介 目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器 在该集成电路的输入与输出之间接入不
2、同的反馈网络 可实现不同用途的电路 例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大 信号运算 加 减 乘 除 对数 反对数 平方 开方等 信号的处理 滤波 调制 以及波形的产生和变换 集成运算放大器的种类非常多 可适用于不同的场合 集成运算放大器的分类 按照集成运算放大器的参数来分 集成运算放大器可分为如下几类 1 通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的 这类器件的主要特点是价格低廉 产品量大面广 其性能指标能适合于一般性使用 例mA741 单运放 LM358 双运放 LM324 四运放 及以场效应管为输入级的LF356都属于此种 它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器 2
3、高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高 输入偏置电流非常小 一般rid 109 1012 IIB为几皮安到几十皮安 实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点 用场效应管组成运算放大器的差分输入级 用FET作输入级 不仅输入阻抗高 输入偏置电流低 而且具有高速 宽带和低噪声等优点 但输入失调电压较大 常见的集成器件有LF356 LF355 LF347 四运放 及更高输入阻抗的CA3130 CA3140等 3 低温漂型运算放大器在精密仪器 弱信号检测等自动控制仪表中 总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化 低温漂型运算放大器就是为此而设计的 目前常
4、用的高精度 低温漂运算放大器有OP 07 OP 27 AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等 4 高速型运算放大器在快速A D和D A转换器 视频放大器中 要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高 单位增益带宽BWG一定要足够大 像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的 高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应 常见的运放有LM318 mA715等 其SR 50 70V ms BWG 20MHz 5 低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便 所以随着便携式仪器应用范围的扩大 必须使用低电源电压供电 低功率消耗的运算放
5、大器相适用 常用的运算放大器有TL 022C TL 060C等 其工作电压为 2V 18V 消耗电流为50 250mA 目前有的产品功耗已达微瓦级 例如ICL7600的供电电源为1 5V 功耗为10mW 可采用单节电池供电 6 高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制 在普通的运算放大器中 输出电压的最大值一般仅几十伏 输出电流仅几十毫安 若要提高输出电压或增大输出电流 集成运放外部必须要加辅助电路 高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路 即可输出高电压和大电流 例如D41集成运放的电源电压可达 150V A791集成运放的输出电流可达1A 正确选择集成运算放大器
6、集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件 在由运算放大器组成的各种系统中 由于应用要求不一样 对运算放大器的性能要求也不一样 在没有特殊要求的场合 尽量选用通用型集成运放 这样即可降低成本 又容易保证货源 当一个系统中使用多个运放时 尽可能选用多运放集成电路 例如LM324 LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路 实际选择集成运放时应考虑的因素主要有 信号源的性质 是电压源还是电流源 负载的性质 集成运放输出电压和电流的是否满足要求 环境条件 集成运放允许工作范围 工作电压范围 功耗与体积等因素是否满足要求 集成运算放大器的使用要点 1 集成运放的电源供给方式集成运放有两个电
7、源接线端 VCC和 VEE 但有不同的电源供给方式 对于不同的电源供给方式 对输入信号的要求是不同的 1 对称双电源供电方式运算放大器多采用这种方式供电 相对于公共端 地 的正电源 E 与负电源 E 分别接于运放的 VCC和 VEE管脚上 在这种方式下 可把信号源直接接到运放的输入脚上 而输出电压的振幅可达正负对称电源电压 2 单电源供电方式单电源供电是将运放的 VEE管脚连接到地上 此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点 在运放输入端一定要加入一直流电位 如图3 2 1所示 此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化 对于交流放大器 静态时 运算放大器的输出电压近似为VCC
8、 2 为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3 运算放大器单电源供电电路 2 集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响 当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时 输出往往不等于零 为了提高电路的运算精度 要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿 这就是运算放大器的调零 常用的调零方法有内部调零和外部调零 而对于没有内部调零端子的集成运放 要采用外部调零方法 以mA741为例 下图给出了常用调零电路 图 a 所示的是内部调零电路 图 b 是外部调零电路 运算放大器的常用调零电路 3 集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器 在接成深度负反馈条件下 很容
9、易产生自激振荡 为使放大器能稳定的工作 就需外加一定的频率补偿网络 以消除自激振荡 下图是相位补偿的使用电路 运算放大器的自激消除 另外 防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正 负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容 10mF 和一高频滤波电容 0 01mF 0 1mF 如图所示 4 集成运放的保护问题集成运放的安全保护有三个方面 电源保护 输入保护和输出保护 1 电源保护电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变 电源反接保护和电源电压突变保护电路见下图 a b 所示 对于性能较差的电源 在电源接通和断开瞬间 往往出现电压过冲 图 b 中采用FET电流源和稳压管钳位
10、保护 稳压管的稳压值大于集成运放的正常工作电压而小于集成运放的最大允许工作电压 FET管的电流应大于集成运放的正常工作电流 集成运放电源保护电路 2 输入保护集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高 超出该集成运放的极限参数范围 集成运放也会损坏 下图所示是典型输入保护电路 3 输出保护当集成运放过载或输出端短路时 若没有保护电路 该运放就会损坏 但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护 使用这些器件就不需再加输出保护 对于内部没有限流或短路保护的集成运放 可以采用下图所示的输出保护电路 在图中 当输出保护时 由电阻R起限流保护作用 第一节测量放大电路一 何谓测量放大电路 对其基本要求
11、是什么 1 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 亦称仪用放大电路 2 对其基本要求 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配 一定的放大倍数和稳定的增益 低噪声 低输入失调电压和输入失调电流以及低漂移 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 传感器输出信号的特点 微弱 到电路的距离较长 传感器有内阻 连接导线有电阻 易于引入干扰 不同的传感器决定用不同结构的放大电路 电阻应变式传感器用直流电桥 差动电容用交流电桥 光电池用电流放大器等 3 测量放大电路的类型 测量放大电路的频带宽
12、度 由被测参数的频率范围和载波信号的频率决定低的至直流 高的到1011HZ 按结构原理 差动直接耦合 调制式 自动稳零式按制造方式 分立元件 通用集成运算放大器 单片集成测量放大器 4 几个重要术语开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc输入失调电压u0s输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比CMRR 差模增益Kd 共模增益Kc 关于运算放大器 二 典型放大器的设计 一 反相放大器 Kf uo ui R2 R1R3 R1 R2 平衡电阻 Zi R1 输入阻抗 特点 放大倍数可大于1 也可小于1 输出与输入相位相反 输入阻抗低 不承受共模信号 二 同相放大器 Kf uo ui 1 R2 R1
13、R3 R1 R2 平衡电阻 Zi Kzin 1 R2 R1 R3 输入阻抗 运放承受与输入信号等大小的共模信号 放大倍数大于1 输入阻抗高 输出与输入同相 三 交流放大器 1 交流反相放大电路Kf R2 R1R3 R2C1 隔直电容C3 旁路电容 防止振荡C3R3 C1R1 2 同相交流放大电路C1 隔直电容R3 C1的放电回路R3必须有zi R3使同相放大器失去高输入阻抗的特点 3 交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流 R3 R2 设计放大器时对输入偏置电流IIB的考虑 由于运放同相输入端没有直流通路 不能为运放提供偏置电流 所以电路不能正常工作 由于电阻R能够为运放提供偏置电流
14、 电路能够工作 但由于输入偏置电流在电阻产生明显的压降 从而影响电路的精度 在运放反相输入端加上一个平衡电阻 可以使运放两个输入端由偏置电流在电阻上产生的压降相等 消除偏置电流的影响 4 自举式高输入阻抗放大电路a 同相交流放大电路 R1 R2为隔直电容C1的放电电阻 无C2时 此电路的交流入抗为R1 R2 比较小 由C2将运放二输入端交流电压引到R1两端 由虚短 则R1两端电压为0 无信号电流 对交流而言R1为无穷大 b 交流电压跟随电路 通过C2 将输出反馈到R1的另一端 使R1两端电位相同 大大提高了电路的输入阻抗 Uo R3 R1 UiUo2 2R1 R3 Uo 2Ui i Ui R1
15、 UO2 Ui R2 R2 R1 R1R2 Ui 入抗Ri Ui i R1R2 R2 R1 假定R2 R1 i2 Uo2 Ui R2 Ui R1 i1 上式说明 无输入电流 入抗为无穷大 也即R2与R1有一点偏差 则入抗就可极大 一般可达100M c 自举组合电路 何谓自举电路 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 是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中 如电容式 压电式传感器的测量放大电路 四 差动放大器 什么是差动放大器 差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大
16、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共模成分 基本电路共模与差模输入 等效电路 ud ui1 ui2 uic ui1 ui2 2由等效电路可得uo R4 1 R3 R1 R4 R2 ui2 R3 R1 ui1若R1 R2 R3 R4 则uo R3 R1 ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc R4 1 R3 R1 R4 R2 uic R3 R1 uic当R1 R2 R3 R4时 uoc 0即输出信号中无共模信号成分 三 稳零放大电路 由于传感器信号电压一般在mV级 则减小放大电路本身的失调和漂移至关重要 三种常用电路 一 由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路 自学 二 自动调零放大电路 三 低漂移单片集成运算放大器 一 由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路 自学 一 斩波稳零放大电路 原理图 由于A为调制型放大器 可以认为其失调电压为0设运放N的输入失调电压Uos对输出Uo的影响为 UO 输入Ui 0 C3开路 调制解调部分和交流放大器总放大倍数为K 运放N的开环放大倍数为K1 U Uos U KUA UA
