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1、第二章 信号调理电路,信号调理电路是测控系统及新型传感器的重要组成部分，其功能是将传感器输出的信号变换成易于被后续单元处理的信号。信号调理电路依据所采用传感器的类型而形式多样，完整的调理电路由具有各种功能的基本单元电路组合构成。,2.1 前置测量电路,2.1.1 基本电路1. 反相放大器基本反相放大器电路如图2.1.1所示。Zf、ZF、Zp均为电阻，则电路为反相比例运算放大器；Zf为电阻，ZF为电容，则电路为积分器；,图2.1.1基本反相放大器,Zf为电容，ZF为电阻，则电路为微分器；若用复杂组容网络代替输入回路元件或输出回路元件，则电路为有源滤波器和有源校正电路。反相放大器的共同特点：各类反
2、相放大器的闭环增益AF和输入阻抗Zid的数学表达式具有相同的形式。,输入回路电流If将全部流经反馈回路，故有反相端和同相端电压相等，且总等于零 这就是反相放大器所特有的“虚地”现象。,2. 同相放大器凡是输入信号从运算放大器同相输入端输入的运算电路都称之为同相放大器，它也是应用电路中最基本的类型。 1）基本同相放大器图2.1.2为基本同相放大器的原理电路图，与反相放大器一样，外部元件可以是电阻元件、电抗元件甚至是一个复杂的网络。,图2.1.2 基本同相放大器,同相放大器具有下列共同特点： 各类同相放大器的闭环增益AF(j)和输入阻抗具有相同的形式一般,式中流经输入回路的电流和流经反馈回路的电流
3、相同 。 If=IF,反相端和同相端电压相等，且总等于共模电压 Vc。 V+=V=Vc由于Vc的存在，同相放大器存在共模电压堵塞现象，这一点与反相放大器不同。,2）同相放大器的堵塞现象及其预防同相放大器的共同特点之一是运放的同相端和反相端加有共模电压Vc，一旦VcVicm，就会发生堵塞。其现象是：在有输入信号的情况下，输出没有信号。这时，即使将输入信号撤除，该状态也不会立即恢复正常。,当发生堵塞时，若反馈回路电阻RF又不够大，反馈回路的电流就有可能将输入级晶体管烧毁，甚至危害第二级晶体管。避免发生堵塞现象的措施有：（1）选用共模输入电压范围大的运算放大器，即大Vicm。这取决于所选的运放器件本
4、身。 （2）在放大器输入端加箝位电路，确保输入共模电压不超过放大器的最大共模输入电压Vicm。,图2.1.3给出了四种箝位电路，说明如下： 图(a)中使VD+EVicm，可保证运放的输入共模电压小于Vicm。图(b)中使VDWVicm，可保证运放的输入共模电压小于Vicm。图(c)中使VD+EVicm，可保证运放的输入共模电压小于Vicm。,(a) (b)(c) (d) 图2.1.3 预防堵塞的输入箝位电路,图(d)适用于大信号脉冲工作状态，当输入脉冲前沿陡度超过放大器的上升速率SR时，电路直接通过二极管实现输入箝位。幅度小于二极管正向压降的微小信号的工作状态。,3）同相与反相放大器的比较 同
5、相输入时，输出与输入同相；反相输入时，输出与输入反相。 同相输入时，闭环增益总是大于或等于一；反相输入时，闭环增益可大于一，也可小于一。同相放大器的输入电阻很高，远大于反相放大器的输入电阻。,同相放大器的输入端存在共模输入电压，因此输入电压不能超过运放的最大共模输入电压Vicm，并要求放大器要有较高的共模抑制比。而反相放大器不存在这一问题。 在运放具有单极点频率特性时，对于相同的闭环增益AF,同相放大器的闭环带宽比反相放大器的闭环带宽宽。,3. 基本放大器的误差分析 1）失调及漂移引入的误差（1）反相放大器的失调及漂移引入的误差该项误差由输入失调电压Vos、平均偏置电流Ib、输入失调电流Ios
6、及其它们的漂移引入。基于实际等效模型的分析电路图2.1.4。,图 2.1.4 反相放大器失调及漂移的误差分析,根据实际运放的等效模型并对反相输入点应用KCL得：若取补偿电阻,可得结果说明设置补偿电阻后可消除由平均偏置电流及其漂移的 误差影响，这也就是反相放大器要在同相输入端设置补偿电阻的原因。,输出误差电压为折算到输入端的误差电压 考虑最坏的情况将失调与漂移分别考虑有其中Vos、Ios分别是温度、时间、正负电源的函数。,（2）同相放大器共模抑制比、失调及其漂移引入的误差 依据运算放大器的实际等效模型，可得图2.1.5所示的等效电路图。,图2.1.5共模抑制比、失调及其漂移引入的误差,解之得,令
7、输出误差电压为,折算到输入端为 由于失调是可以调零的，因此考虑CMRR及失调漂移时的误差电压显然电压跟随器组态时若Rp=0，要求RF=0，这对减小定态误差是有利的，但不利于堵塞时的输入级保护。,2）开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差 （1）反相放大器开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差 当考虑开环增益、输入阻抗和输出阻抗的非理想性时的分析原理电路图如图2.1.6所示，,图 2.1.6开环增益、输入输出阻抗引入的误差分析,根据图可以得到方程组,解方程组得考虑开环增益、输入阻抗、输出阻抗时的闭环增益为 式中,（2）同相放大器开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差图2.1.7是考虑开环增益、输
8、入阻抗和输出阻抗的等效电路。,图2.1.7开环增益、输入阻抗和输出阻抗 的等效电路,由图2.1.7可列出下列方程组,解之得其中,结果说明：运放的开环增益、输入输出阻抗的非理想性使运放的实际开环增益及电路的实际反馈系数减少，导致回路增益的下降，闭环增益产生误差，因而产生运算误差。显然Avo越大，输入阻抗越大，输出阻抗越小，误差越小。,3）动态误差 （1）反相放大器的动态误差 频域误差 反相放大器在交流工作条件下，输入信号为正弦波时，由于闭环带宽的有限性将产生幅度误差和相位误差，这就是所谓的频域误差。,反相放大器的频率特性,当ffFBW时，反相放大器的幅度绝对误差为 相位绝对误差为,当fR1确保R
9、in为正值，因此Rin为有限值，但阻值可达到相当高的数值。,（2）提高基本放大器的输出电压 普通运算放大器所允许的输出电压最大为18V，当要求运算电路输出电压大于18V时，需要对采用普通集成运算放大器的电路进行扩展设计，以提高电路的输出电压，构成高压放大器。电路如图2.1.9所示。,图 2.1.9 应用普通运放设计的高压反相放大器,电路的设计思想是：在保证运放正负电源差为30V的前提下，使运放的电源电压跟随电路的输出电压浮动。 运放的正电源电压为 运放的负电源电压为,静态时Vo=0V，运放的正负电源电压为15V；动态时运放的正负电源电压随输出电压的浮动而浮动，但两者的差值始终为30V。在这样的设计下电路就能输出高压，且电路的运算方式与基本的反相放大器完全相同。,3. 积分放大器积分在现代测量中有着极其重要的应用。例如多斜式积分式A/D转换器、高精度时分割乘法器等便是积分器的重要应用。 1）基本积分放大器,将基本反相放大器中的反馈回路的元件采用电容，而输入回路元件采用电阻，即构成了基本积分放大器。图2.1.13 基本积分放大器,运算关系为实现精确积分的前提条件是反相端的虚地，如果反相端偏离了虚地，则将导致积分误差。电路中同相端的补偿电阻Rp如何取值，也要依据使运放偏置电流的误差被消除这一原则来选取。,
