测控电路第二章信号放大电路.ppt

中国计量学院 朱维斌,Contents,中国计量学院 朱维斌,2.1 运算放大器的误差及其补偿,一、实际运算放大器及其特性,中国计量学院 朱维斌,二、失调及其补偿,输入失调电压：集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压。常用代号Uos(mV数量级）输出失调电压：Ui=0，输出不为0时输出端的电压,补偿,a.外接失调补偿网络,b.运放常有失调调零端,RP,接入反相端,RP,接入同相端,中国计量学院 朱维斌,Op07集成运算放大器,1、8脚之间就是输入失调电压的调零端,中国计量学院 朱维斌,输入失调电流：在标称电源及其室温下，当集成运放的输出电压为0时，流入放大器两输入端的静态基极电流之差。,IBP,IBP,IBN,IBN,VEE,VCC,VO,IOS=|IBPIBN|,中国计量学院 朱维斌,三、运放的振荡与相位补偿,Ui,Uio,Uf,Uo,电流、电压反馈：将负载电阻短接，看反馈信号是否消失，若消失，则为电压反馈，反之电流反馈。,Xo,Xi,Xs,Xf,A,自激振荡：指在没有输入信号时（Ui=0)，放大电路也有输出（Uo0），通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。,一个具有负反馈电路的放大器，只要A产生180的相位差，即可能激发振荡。,环路增益的相位,中国计量学院 朱维斌,由于一般的OPA内部是由23段的放大器组成，出现三个极点的机会相当多。在高频区将产生附加相移，可能使负反馈变为正反馈，如反馈深度较深，即 1，就会产生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来工作。,相位补偿：在反馈放大电路的适当部分加入RC网络，以改变AF的频率响应。,uo,R3,ui,R1,R2,-,+,+,N1,C2,防止自激振荡的,C1,很多集成运放都有外接相位补偿网络端,中国计量学院 朱维斌,2.2 典型测量放大电路,测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。,例如：电阻应变式传感器电压放大器 光电池、光敏电阻电流放大器,一、测量放大电路的基本要求和类型,阻抗匹配 增益稳定低噪声 低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比可调的闭环增益线性好、精度高成本低,中国计量学院 朱维斌,二、反相放大电路,闭环增益 Kf=uo/ui=R2/R1,输入阻抗不高，在提高放大器的输入阻抗与提高电路的增益之间存在一定的矛盾，可用变形一（P22图2-10)。,带滤波器的反相放大器见变形二（P22图2-10)。,中国计量学院 朱维斌,交流反相放大电路：Kf=R2/R1 R3=R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡 C3R3C1R1,中国计量学院 朱维斌,三、同相放大电路,Kf=uo/ui=1+R2/R1,同相输入运算放大器的同相端和反相端都等于输入电压，相当于输入端有一个共模信号，因此构成同相放大器时要求运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。,特例：电压跟随器,平衡电阻,中国计量学院 朱维斌,同相交流放大电路C1：隔直电容,交流电压跟随电路,中国计量学院 朱维斌,四、差动放大电路,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,中国计量学院 朱维斌,等效电路,差模电压uid=ui2ui1,共模电压uic=(ui1+ui2)/2,由等效电路可得若R1=R3，R2=R4，则uo=(R2/R1)ud即只对差模信号进行放大,中国计量学院 朱维斌,抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR来表示,如何求差动放大电路的共模抑制比？,要使CMRR，可得,工程上为了减少器件品种和提高工艺性,R1=R3,R2=R4,中国计量学院 朱维斌,五、高共模抑制比放大电路,什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。一般的运放共模抑制比80db左右,所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路，共模抑制比100120dB,(一）双运放高共模抑制比放大电路,1.反相串联结构型,中国计量学院 朱维斌,N1反相放大,中国计量学院 朱维斌,2.同相串联结构型,N1同相放大,N2同相放大，输出端有,共模电压：,差模电压：uid=ui2-ui1,上式改为：,如何得到零共模增益？,同时，同相输入，输入阻抗很大,中国计量学院 朱维斌,(二）三运放高共模抑制比电路,uo,大范围增益调整电路,差分放大,差模增益：,中国计量学院 朱维斌,由此我们可以看到共模信号是被抑制的，且不要求外部电阻匹配，同时为了消除N1、N2输入失调电流，取R1=R2，调节电位器Ro，还可改变差模增益，这就是我们所说的大范围增益调整电路,N1,N2,两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级,N3 双端输入单端输出差放,中国计量学院 朱维斌,缺点：N1和N2的CMRR1、CMRR2不相等时，会把输入端的共模信号传到 输出端。,同时，N3输出级,前提：R3=R4，R5=R6,电阻偏差很大，影响输出，精度控制在0.1之内,N3两端之间接入R7和R8和RP共模补偿电路，调节RP，可补偿电阻的不对称。,中国计量学院 朱维斌,无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放,AD612典型的三运放结构,中国计量学院 朱维斌,六、电桥放大电路（=传感器电桥+运放）,电感式,电阻应变式,电容式传感器,通过电桥转换电路输出电压或电流信号,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。,中国计量学院 朱维斌,如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+），为传感器电阻的相对变化率,非线性,在1时，,此时，输出电压与电桥电阻R无关，灵敏度不受R影响,1、单端输入电桥放大电路,中国计量学院 朱维斌,线性电桥放大电路,若R2=R(1+)，R3=R（传感器标称电阻）时，,注意：uo与成正比，但是缺点是灵敏度与桥臂电阻R有关,但a，b之间有很大的共模电压，所以所选运放共模电压要小，失调也要小,2、线性电桥放大电路,线性,中国计量学院 朱维斌,七、低漂移放大电路（稳零放大电路）,为了,减少失调,减小低频干扰,常采用,斩波稳零放大电路,自动调零放大电路,（一）斩波稳零放大电路,又称调制式放大电路,原理：同步调制解调,输入直流或缓慢变化的信号Ui经调制器（斩波器）调制成频率较高的交流调幅信号，调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大，最后由解调器解调输出放大了的输入信号。由于信号在调制后与解调前均有隔直电容，因此隔离了失调和低频干扰电压。,但这只针对低频信号，为了能在较宽频率范围内工作，可采用下图所示的典型斩波稳零放大电路,中国计量学院 朱维斌,（二）自动调零放大电路,N1主放N2误差保持N3时钟发生器（方波发生器）N4N3的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2模拟开关N3驱动Sa1、Sa2，高电平导通,中国计量学院 朱维斌,前半周：N1输入接入地，只存在输入失调电压Uos1,Uc1Uos1,C1寄存了N1的输入失调电压,中国计量学院 朱维斌,后半周：接通Ui，Ui反相放大+输入失调放大+C1的寄存电压,Uo(R2/R1)Ui,自动调零,优点：1、输出电压稳定，波动小。2、失调和低频干扰小。3、成本低,适用于毫伏级的低电平放大。,中国计量学院 朱维斌,（三）低漂移集成运算放大器,1.轮换自动校零集成运算放大器CAZ运算放大器2.斩波稳零集成运算放大器ICL7650 高增益、失调电压影响小，高共模抑制比和高输入电阻（1011），输入失调电压(15）uV，普通运放(26）mV。,中国计量学院 朱维斌,八、高输入阻抗放大电路,电容式、压电式传感器的输出阻抗很高。,108以上,虽然开环运放具备高阻抗，但是闭环以后，例如反相放大器的输入阻抗同相放大器。,可在输入端加电压跟随器，但引入了跟随器的共模误差。,解决方法,高输入阻抗集成运放,通用运放组成的自举电路,（一）高输入阻抗集成运算放大器,输入级 MOSFET 1.5106M CA3140、CA3260输入级 FET 106M LF356/A、LF412、LM310、LF444输入级 CMOSFET 106M ICL7613、ICL7641B/C,中国计量学院 朱维斌,（二）自举式高输入阻抗放大电路,自举组合电路,自举电路：是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减少向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。,中国计量学院 朱维斌,九、电荷放大电路,基本原理：,运算放大器N的反相端与传感器相连，N的输出经电容C反馈致其输入端。若N为理想工作状态，则反相输入端为虚“地”，直流输入阻抗很高，传感器的输出电荷只对反馈电容C充电，电容C两端的电压为Q/C，则电荷放大电路的输出是：,所以，电荷放大电路的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,中国计量学院 朱维斌,十、增益调整放大电路,整调放大倍数,手动,自动,程控,（一）手动增益调整电路,+,ui1,ui2,u1,u2,uo,左图为匹配电阻构成的差动放大电路，RP用来调节增益,可见，只要改变RP可改变放大倍数，但RP与增益之间是非线性的，因此调整范围小于10%，所以也叫小范围增益调整电路。,大范围增益调整电路，在三运放电路中已经介绍过。,注意这里是手动调节RP的值，不是自动的。,中国计量学院 朱维斌,（二）自动增益调整电路,电路增益自动在最大、最小之间变换。,改变反馈电阻,改变输入回路衰减电阻,+,ui,R3,控制信号,a）改变反馈电阻,当ui很小时，控制信号为零电平，V饱和导通，电路增益最大。,当ui很大时，控制信号为负电平，V截止，电路增益最小。,中国计量学院 朱维斌,ui,uo,N,+,V1,V2,6V,R3,R2,R1,控制信号,同理，R1和结构场效应管并联，我们把场效应管看成一个电阻Rx。导通时，Rx=0；截止时，Rx=。,当ui很小时，控制信号为低电平，V1、V2导通，电路增益最大。,当ui很大时，控制信号为高电平，V1、V2截止，电路增益最小。,（三）可编程增益放大电路,程控增益放大电路 PGA,分类,单运放,多运放,测量放大器可编程放大电路,单片集成可编程增益放大电路,B）输入回路衰减电阻,中国计量学院 朱维斌,1.通用运放可编程增益放大电路,多路模拟开关+通用运放,ui,a）单运放式,4个二极管的作用：提高开关断开时的抗干扰性能，消除噪声和其他高阻效应。断开时，uo使二极管正向偏置，源级箝位到0.6V，保证开关不接通。,当然，因为开关分布电容形成尖峰，只适用低增益、低精度场合,中国计量学院 朱维斌,b）多运放并联式,运放多，成本高，调试难，每个运放都要调失调。,中国计量学院 朱维斌,ui,模拟开关,c）多运放串联式,但是也存在成本高，调试难的缺点。,集成测量放大器可选择增益大小外接模拟开关+反馈电阻的方式,中国计量学院 朱维斌,2.数字式可编程增益放大电路,ui,uo,a）改变并联输入电阻,ui,uo,模拟开关,b）改变并联反馈电阻,ui,uo,+,+,c）任意正整数增益框图,3.集成可编程增益放大电路,LH0084 LH0086,中国计量学院 朱维斌,第2.3节 隔离放大电路,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，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,高噪声、高干扰情况下的测控系统,对安全有要求的场合：核电站、高压电,生物医学测量：确保人体不受伤害,一、基本原理,组成,输入放大器,输出放大器,隔离器（变压器或光电耦合）,隔离电源电源是浮置的,应用于何种场合？,中国计量学院 朱维斌,注意：这里的输入与输出的地是不一样的。,基本组成,符号,问题：普通运放虽然也能抑制共模干扰，为何有些场合必须用隔离放大器呢？,中国计量学院 朱维斌,原理框图,变压器非常关键（变压器的匝数、体积和分布电容）,中国计量学院 朱维斌,中国计量学院 朱维斌,（二）通用隔离放大器,1、AD277变压器耦合隔离放大器,上面部分自左至右为信号传输通路下面部分自右至左为电源能量传送通路,中国计量学院 朱维斌,AD277+235L=高性能斩波稳零隔离放大器,中国计量学院 朱维斌,2.光电耦合,常见的光电耦合器的内部电路,硅光二极管具有良好的线性和较宽的线性范围，但没有任何的放大环节，故传输增益最小。,硅光三极管具有一定的传输增益，但其小电流增益与大电流增益严重不一致，导致其传输线性较差。,达林顿型由于两次电流放大，故其传输增益最大，但线性最差。,三极管型,宜用在低失真和宽频带场合，可用外接放大器弥补增益低,合理选择工作点，将其工作范围限制在近似的线性区,中国计量学院 朱维斌,光电耦合放大器,A1把输入电压信号转换成电流信号，A2把电流信号转换成电压信号。三极管T来补偿光电耦合器的非线性，即便如此，也很难消除光电耦合器的非线性，原因是具体三极管与光电耦合器的非线性并不完全一致。,中国计量学院 朱维斌,线性光电耦合放大器,左图改进后，可以得到较高的线性,VLC1为了补偿VLC2的非线性，而且两个特性完全相同。,反馈,输入输出之间信号隔离,应该注意的是，光电隔离放大器前、后级之间不能有任何电的连接。即使“地线”也不行，前、后级也不能共用电源，否则就失去了隔离的意义。一般前级放大器可以采用电池供电，或采用DC/DC变换器供电,中国计量学院 朱维斌,2.4 噪声的基础知识,通常传感器的输出信号只有几毫伏，甚至更小，而输入到放大器的噪声与放大器自身产生的噪声，往往就大于放大器的输入。要减少噪声,噪声广义：干扰有用信号的某种不希望的扰动。内部的称为噪声，外部称为干扰。,噪声,白噪声：噪声的波形是随机的，即它的幅值、相位、频率都是随机的，其瞬时值不能预测，但每Hz带宽内包含的噪声功率从统计观点看是一个常数。,色噪声：噪声的频率是固定的，是可以预测的，但幅值与相位有可能是随机的。例如接地噪声。,中国计量学院 朱维斌,一、噪声的种类与性质,中国计量学院 朱维斌,1.热噪声,定义：导体中电荷载流子的热激振动引起的。,与频率无关，问：是色噪声还是白噪声？,绝对零度以上的导体,电子都有随机运动，这和温度有关,电子的随机运动，产生很多电流脉冲,这些电流脉冲的平均值为0，但 不为0,中国计量学院 朱维斌,方均值电压：,K玻耳兹曼常数 K=1.3810-23J/KT绝对温度B噪声带宽R导体的电阻或阻抗实部,例如：室温下290k下，R=1000，B=1Hz，则可求得Ut(t)=4nV,中国计量学院 朱维斌,2.低频噪声,低频噪声电压的方均值与频率大小成反比，又称1/f 噪声。,方均值：,式中 k1与材料有关的常数。I工作电流。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。,一般，频率低于1KHz时，低频噪声有很大作用，特别对于MOS场效应管更为明显，所以调制频率不应选得太低，至少高于1KHz,中国计量学院 朱维斌,3.散弹噪声,由于流过二极管、三极管位垒区的载流子不是连续的，显脉冲性质，这种脉冲电流的平均值为0，方均值不为0。,q电子电荷，1.5910-19C B频宽IDC直流电流,可见方均根值正比与,，与f无关。,白噪声,re,中国计量学院 朱维斌,二、处理放大器噪声的方法,等效输入的噪声：建立模型。首先把放大器视为无噪声方框,Ut(t)加到放大器输入端的热噪声，通常是信号源内产生热噪声,RS信号源内阻,放大器的噪声用于输入端串联的噪声电压发生器Un(t)和输入端并联的电流发生器In来代替。,Un(t)放大器各级电压噪声折算到输入端的等效值。,In放大器各级电流噪声折算到输入端的等效值。,中国计量学院 朱维斌,把这三个噪声等效到放大器的输入端去，用,Uni(t),来代替,当ZiRs时，,当Rs=0时，,与电压噪声有关,当Rs足够大时，,与电流噪声有关,中国计量学院 朱维斌,噪声系数衡量放大器中信噪比恶化程度的指标 信噪比信号有效功率S对噪声有效功率N之比 S/N,噪声系数,理想运算放大器F=?，我们应该努力减小还是增加F？,最小噪声系数和最佳源电阻,结论：Rs=ro，此时为最佳源电阻。,注意：,最佳源电阻完全取决于噪声模型（UnIn）,与输入阻抗毫无关系,