《财务会计综合模拟实训第二版 吴鑫奇 答案测控电路 第2章 信号放大电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《财务会计综合模拟实训第二版 吴鑫奇 答案测控电路 第2章 信号放大电路（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 2.3 典型测量放大 2.4 隔离放大电路,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 2.3 典型测量放大 2.4 隔离放大电路,2.1.1实际运算放大器及其特性,运放的理想和实际特性,2.1.2失调及其补偿,输入失调电压UOS产生的误差,直流噪声增益,理想运放,2.1.2失调及其补偿,输入偏置电流IB 和输入失调电流IOS,可得：,则：,理想运放,2.1.2失调及其补偿,输入偏置电流IB 和输入失调电流IOS,若取Rp=R1|R2,误差正比于IOS，它的幅度数量级一般比IP、IN小。,直流噪声增益,
2、2.1.2失调及其补偿,输入失调电压和输入失调电流的调整,输出总失调误差: 等效到输入端：,给输入端一个合适的微调可以消除或减少输出总失调误差,一般VOS和IOS极性与失调方向有关，故二者不可抵消，即取：,输入失调电压和输入失调电流的调整 内部调整法：运放本身设有调整失调的端子，通过一个可调电阻/电位器来调整。 741 自身带有调零端，可进行内部调整 外部调整法：运放本身没有输入失调电压/失调电流的调整端子,由外部把调整电压加至运放的反相输入端或同相输入端。,2.1.2失调及其补偿,1. 外部调整法,外部调整法:把调整电压加至运放某一输入端,2. 内部调整法,许多线性集成运算放大器设有调整失调
3、的端子,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 2.3 典型测量放大 2.4 隔离放大电路,2.2.1 噪声的种类与性质,热噪声 低频噪声 散弹噪声,1. 热噪声,热噪声：由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声,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()。,2. 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
4、 工作频率(Hz)。,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 测量系统的噪声带宽 (Hz)。,2.2.2 处理放大器噪声的方法,放大器噪声模型,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 2.3 典型测量放大 2.4 隔离放大电路,2.3.1测量放大电路的基本要求与类型,信号放大电路基本要求 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
5、传感器输出阻抗相匹配； 足够的带宽和转换速率。,2.3.2反相放大电路,闭环电压增益： 反相放大器的优点：性能稳定 反相放大器的主要缺点：输入阻抗低，Ri=R1 提高输入阻抗的方法：提高电阻R1的值 应用：一般能够满足大多数场合的要求，在电路中应用较多。,2.3.2 同相放大电路,，,输出： 输入阻抗及输出阻抗：,电压跟随器,该放大电路的闭环参数是： 该跟随器起到一个阻抗变换器或缓冲器的作用：,在同向放大器中，如果将放大器输出完全反馈到输入端，就构成了一个电压跟随器。又称为单位增益放大器。,ui1作用时电路的输出uo1,ui2作用时电路的输出uo2,2.3.4基本差动放大电路,使其共模增益为零
6、： 补偿放大器输入平均偏置电流及其漂移的影响，四个匹配电阻还需要满足平衡对称的要求，即保证： 为了减少所用器件的种类，取： 输出为： 此时，理想闭环差模增益：,只对差模信号进行放大 共模抑制比为无穷大,共模输入信号被抑制,共模信号,差模信号,2.3.4基本差动放大电路,2.3.4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。,2.3.5 高共模抑制比放大电路,来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压(干扰电压常为共模电压)。 一般采用差动输入集成运算放大器来抑制运放来抑制它 要求：外接电阻完全平衡对称，运放具有理想特性 存在共模误差输出，其大小与外接电阻对称精度有关，又于运算
7、放大器本身的共模抑制能力有关 改进方法：由若干集成运放组成高共模抑制比放大电路 一般运放共模抑制比80dB，而采用几个集成运放组成的测量放大电路共模抑制比可达100120dB。 应用场合：应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。,反相串联结构型 该电路的共模抑制能力只与外接电阻的对称精度有关，但电路的输入阻抗低。 通常为了使ui1、ui2负载相同，取：R1=R5，R2=R4,双运放高共模抑制比放大电路,共模信号得到了抑制,反相加法电路（叠加定理）,双运放高共模抑制比放大电路,同相串联结构型 同相输入、高输入阻抗； 对于N2仍然是差动放大电路,同相串联结构型 为了获得零共模增
8、益，即 可取： 此时电路的差动闭环增益为： 采用两个同相输入的运算放大器，具有极高的输入阻抗,双运放高共模抑制比放大电路,三运放高共模抑制比放大电路,第一级：由同相输入的运放N1、N2并联组成双端输入、双端输出的差动放大电路，以提高放大器的输入阻抗； 第二级：运放N3组成差动级，具有共模抑制能力,三运放高共模抑制比放大电路,三运放高共模抑制比放大电路,R1=R2,第一级放大电路的差模增益为 当N1、N2性能一致时，输出表达式中无共模电压成分 不要求回路电阻有任何形式的匹配来保证它的共模抑制能力 共模输出、失调及漂移均在R0两端抵消 方便的实现增益调节,第二级差动增益为： 总的增益为： 输出为：
9、 差模输入阻抗：同相放大器输入阻抗的两倍 共模输入阻抗：同相放大器输入阻抗的二分之一,三运放高共模抑制比放大电路,34,如果N1、N2共模抑制比不相等，将会引入附加的共模误差，使电路共模抑制能力下降，二者相差不大是（0.5dB），电路的共模抑制比仍很高 第二级差动放大电路共模抑制比为：,三运放高共模抑制比放大电路,35,两级放大电路的总的共模抑制比为：,三运放高共模抑制比放大电路,两级放大电路的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二级的共模抑制能力。 选取具有高共模抑制比的集成运放N3，同时精选外接电阻，尽量使R3=R4，精度控制在0.1%内。 将输入级的增益设计的大些，输出级的增益设计的
10、小些。,通过调节RP可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比,三运放高共模抑制比放大电路,带有源屏蔽的共模抑制比放大电路,2.3.6低漂移放大电路,某些传感器输出的信号电压常在微伏级，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。常用的方法有斩波稳零放大电路或自动调零放大电路，也可采用低漂移单片集成运算放大器,1、自动调零放大电路,基本设计思想：将放大器失调电压记忆在电容上，然后将它回送到放大器输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压。,
11、1、自动调零放大电路,误差保持 调零放大输出,1、自动调零放大电路,电路特点 电路实际上用一块四运放(LM324,LF347等)和一块4位模拟开关(CD4066,5G811等)组成,电路成本低. 输出电压较稳定；波动小； 与普通放大电路相比，失调和低频干扰降低了三个数量级 适用于毫伏级的低电平放大。,2、低漂移单片集成运算放大器,轮换自动校零集成运算放大器（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。,a) N2处于自动校零状态 b) N1处于自动校零状态,2、低漂移单
12、片集成运算放大器,斩波稳零集成运算放大器（ICL7650),2、低漂移单片集成运算放大器,斩波稳零集成运算放大器（ICL7650) 具有高增益、失调电压影响小、高共模抑制比和高输入电阻等优点 可用作差动放大器，是一种理想的直流集成运算放大器 是一种低压CMOS器件，电源电压的典型值为6V，焊接时应防止击穿损坏， 记忆电容C1=C2=0.1uf需外接，且采用漏电小的电容器 替工作产生的尖峰电压可用低通滤波器滤除。,认真看书后回答以下问题： 该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？,2.3.7 高输入阻抗放大电路,问题提出
13、：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。,提高输入阻抗的方法： 在输入端加电压跟随器，但会引入跟随器的共模误差 采用高输入阻抗集成运放 采用由通用集成运放组成的自举电路。,1、 输入阻抗集成运放,采用MOS-FET作为输入级的集成运放，如CA3140、CA3260 采用FET作为输入及的，如LF356、ALF412等 CMOS型运算放大器,高输入阻
14、抗集成运放安装在印刷电路板上时，会因周围的漏电流流入高阻抗而形成干扰。通常采用屏蔽方法解决。即在运放的高阻抗输入端周围用导体围住，构成屏蔽层，并把屏蔽层接至低阻抗处。这样屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，从而防止了漏电流的流入。Portal中的”铺地”与屏蔽功能,2、自举式高输入阻抗放大电路,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？ 事实上，测量放大电路的输入阻抗越高，输入端的噪声也越大，因此并不是所有的情况都要求放大电路具有高的输入阻抗，而应该与传感器输出阻抗相匹配，使放大
15、电路的输出信噪比达到最大。 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。,同相交流放大电路 同相端接隔直电容C1和放电电阻R，通过加入C2，提高了同相交流放大器的输入阻抗 如果不加C2，则C1的放电电阻是R1+R2； 当加上C2后，运放的两个输入端的交流电压作用于R1的两端 ，使R1两端等电位，无信号电流流过R1，故对交流来说R1就可看作无穷大。,2、自举式高输入阻抗放大电路,注意：R3应与R1+R2相等，以减小失调电压,2、自举式高输入阻抗放大电路,交流电压跟随电路,加入C2后，R1两端的电位相同，故可将R1作为无穷大 ，同样提高了放大器
16、的输入阻抗,2、自举式高输入阻抗放大电路,自举组合电路,N1的输入电流i1将全部由N2电路的电流i2提供，输入回路无电流,输入电阻为：Ri=ui/i=(R1R2)/(R2-R1) 当R2=R1时，Ri， i2 = i1,2.3.8 电荷放大电路,电荷放大电路是一种输出电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。,1、基本原理,若N为理想工作状态，则反相输入端为虚“地“，直流输入电阻很高， 传感器的输出电荷只对反馈电容Cf充电， 电容Cf两端的电压为:,输出电压与输入电荷量成正比， 与反馈电容成反比， 而与电路其他参数无关。,1、基本原理,实际等效电路 考虑到Cf电荷的泄放和加入直流负反馈以稳定工作，减小零漂
