1、2018/12/26,2. 信号放大电路,张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室 电子邮件：,2. 信号放大电路,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。测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。,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； 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 足够的带宽和转换速率。 以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。,2
2、. 信号放大电路,从灵和安全可靠出发，还需要： 可调闭环增益放大电路； 参量放大电路； 电荷放大电路； 隔离放大电路。 也有利于提高精度。 还需要考虑低成本。,2. 信号放大电路,2018/12/26,2. 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,2018/12/26,2. 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,2018/12/26,2. 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 0
3、dB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 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。,2018/12/26,2. 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
4、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
5、)；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
6、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,2018/12/26,一、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
7、/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；
8、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 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
9、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
10、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
11、. 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,2.3 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
12、输入阻抗放大电路,b) 跟随电路,a) 同相放大电路,采用同相输入具有很高输入阻抗,2018/12/26,2. 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,2018/12/26,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,2018/12/26,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,2018/12/26,e)电流补偿型电路输入电阻为 Ri=(R1R2)/(
13、R2-R1) 当R2=R1时，Ri， i2 = i1,uo1,ui,i1,i2,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,2018/12/26,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
14、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，输出放大了的电压信号。,2.5 电桥放大电路,2. 信号放大电路,2018/12/26,（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,2018/12/26,（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,2018/12/26,（四）线性电桥放大电路,2.5 电桥放大电路,2. 信号放大电
15、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
16、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 增益可控放大电路,Uo,
17、（3）LH0084集成可编程增益差动放大器,2. 信号放大电路,2.7 增益可控放大电路,（3）LH0084集成可编程增益差动放大器改变R0、R1、R2改变差动级增益。改变R5、R6改变末级增益。,2. 信号放大电路,2.7 增益可控放大电路,ui1,ui2,uo1,uo2,R1,R0,R2,R7,RP,R8,R3,R4,R6,uo,R5,+,-,+,N1,IR,-,+,+,N2,-,+,+,N3,2. 信号放大电路,2.7 增益可控放大电路,LH0084的数字输入、输出端子连接和放大倍数表,2018/12/26,什么是隔离放大电路？ 隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，
18、即信号在传输过程中没有公共的接地端。 应用于何种场合？ 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,2.8 隔离放大电路,2. 信号放大电路,灵、可靠,2018/12/26,（一）基本原理 (1)组成及符号,2.8 隔离放大电路,2. 信号放大电路,2018/12/26,（一）基本原理(2)原理框图,a) 变压器耦合,b) 光电耦合,2.8 隔离放大电路,2. 信号放大电路,2018/12/26,（二）通用隔离放大电路(1) AD277变压器耦合隔离放大器,2.8 隔离放大电路,2. 信号放大电路,2018/12/26,(2)互补式光电耦合放大电路 i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp) i1=i2, R2=R3 uo=(R5+ Rp) ui/R1,2.8 隔离放大电路,2. 信号放大电路,2-3 2-7 2-13,思考题与习题,
