测控电路 教学课件 ppt 作者 张国雄 第2章 信号放大电路

《测控电路 教学课件 ppt 作者 张国雄 第2章 信号放大电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控电路 教学课件 ppt 作者 张国雄 第2章 信号放大电路（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2019/5/19,2. 信号放大电路,测控电路教材编写组,2019/5/19,2. 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,2019/5/19,2. 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,2019/5/19,2. 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 宽 0 010Hz（或010kHz） 6 动

2、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。,2019/5/19,2. 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望的扰动。通常，把外部来的称为干扰，把内部产生

3、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)。,2. 信号放大电路 2.1 测量放大电路的主要

4、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,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

5、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,2019/5/19,一、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

6、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

7、 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

8、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,2.2 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

9、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,2. 信号放大电路,2.3

10、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,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

11、很高输入阻抗,2019/5/19,2. 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,2019/5/19,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,2019/5/19,d)交流电压跟随电路,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,2019/5/19,e)电流补偿型电路 输入电阻为 Ri=(R1R2)/(R2-R1) 当R2=R1时，Ri， i2 = i1,uo1,ui,i1,i

12、2,R1,i,uo2,2R1,R3,R2,-,+,+,N1,-,+,+,R3,N2,2. 信号放大电路,2.4 高输入阻抗放大电路,2. 信号放大电路,2.5 电桥放大电路,灵,2. 信号放大电路,2.5 电桥放大电路,us,uc,x,线圈,测杆,工件,衔铁,2019/5/19,何谓电桥放大电路？ 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路，或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。 应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压

13、信号。,2.5 电桥放大电路,2. 信号放大电路,2019/5/19,（一）反相输入电桥放大电路,a点为虚地，故uo反馈到R1两端的电压定是-uab,2.5 电桥放大电路,2. 信号放大电路,Z1=Z2=Z4=R, Z3=R(1+), =R/R,2. 信号放大电路,2.5 电桥放大电路,（二）同相输入电桥放大电路,2019/5/19,（三）差动输入电桥放大电路,2.5 电桥放大电路,R1=R2 R,ua=ub,2. 信号放大电路,2019/5/19,（四）线性电桥放大电路,2.5 电桥放大电路,2. 信号放大电路,ua = ub,当R3 =R时,量程较大，但灵敏度较低,电荷放大电路是一种输出电

14、压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。例如，压电式传感器或电容式传感器可将某些被测量（如力、压力等）转换成电荷信号输出，再通过电荷放大电路输出放大了的电压信号。因此，电荷放大电路亦称为电荷-电压变换电路。,2. 信号放大电路,2.6 电荷放大电路,灵,2. 信号放大电路,2.6 电荷放大电路,uo,b) 实际等效电路图,a) 基本原理图,Cs传感器等效电容， Rs传感器泄漏电阻，Cc 电缆电容， Ri 运算放大器的输入电阻，Ci 运算放大器的输入电容。 R 电荷泄放电阻。,2. 信号放大电路,2.6 电荷放大电路,把C、R等效到N的输入端时，等效电阻R/(1+K)，等效电容C= C(1+K)， K足够大,2. 信号放大电路,2.6 电荷放大电路,足够大,相对运算误差 频率特性 ,下限截止频率 高频特性由运放器件特性决定,增益可控放大电路可以根据被测量值自动调整增益，以适应测量不同范围量值需要，使用灵活，有利于提高测量精度。 (1)改变反馈电阻的自动 增益调整电路 Rx=R3+r V饱和导通，r很小，电路增益最大; V截止，r，电路增益最小。,2. 信号放大电路,2.7 增益可控放大电路,灵,(2)可编程增益放大电路 根据需要将R3R6与 R2并联，使增益减小。,2. 信号放大电路,2.7 增益可控