实用模拟电子技术教程第14章电子课件.ppt
实用模拟电子技术教程,主编：徐正惠,副主编：刘希真 张小冰,第三篇 模拟集成电路及其应用 本篇介绍集成电路和模拟集成电路的分类、命名方法、封装方式等基本常识。在此基础上重点介绍集成运算放大电路、集成稳压电路、集成信号测量电路、集成仪表放大电路、集成功率放大电路、集成信号发生电路等。通过介绍和讨论，要求掌握或了解相关集成电路常用的型号、外型、封装、功能、主要性能指标和典型应用电路。要求掌握常用模拟集成电路应用电路的设计方法。,第14章 集成信号测量电路,第三篇 模拟集成电路及其应用,学习要求：掌握工程中常见信号幅度、内阻、频谱、共模等特性的含义及信号的分类；掌握高精度运算放大电路ICL7650、高阻运放CA3140的主要特点和应用；了解集成宽带运算放大电路、集成仪表电路的主要特点和应用范围；了解集成电路构成的信号测量电路的设计步骤。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,第14章 集成信号测量电路,14.1.1 电量和非电量的测量,电量的测量 工程中所遇到的被测量，有一部分是电量，如电压、电流、电荷、频率等等。电压的测量可直接通过放大器来完成，电流经过一个电阻即可转换为电压，电荷、电频率等也可以通过特定的电路转换为电压。,非电量的测量 工程中还遇到大量的被测量是非电量，例如压力、应力、温度、流量、流速、位移、液位、速度、加速度、振动、转速、光强度、光波长等等。非电量不能直接用放大器进行测量，通常的做法是通过一个装置将被测的非电量转换为与被测量有确定关系的电量，然后通过该电量的测量求出非电量，最后完成非电量的测量。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.1 电量和非电量的测量,传感器 用来将被测非电量转换为电量输出的特殊装置称为传感器，对各种非电量进行测量的原理如图所示。传感器将被测的非电量转换为电量输出，这一电量与被测的非电量之间存在着正比或其他确定的比例关系，因此根据传感器输出的电量，就可以求出被测非电量的大小。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.2 工程测量中被测信号的特点,在工程测量中的被测信号，无论是直接测量的电量还是由传感器转换后输出的电量，其特性都可以通过幅度、信号源内阻、信号频率特性和伴随的共模干扰等四个方面进行描述。不同的被测信号，上述四个方面的特性各有差异，这些差异直接影响着被测量的测量技术和方法。,1、信号的大小，也称被测信号的幅度一个信号能否通过运算放大器有效地放大，并不决定于待测信号的大小，而决定于信号是否显著地大于该运算放大器的输入噪声电压。工程上存在大量100V以下的信号，我们称其为微弱信号，这些信号无法通过通用型的运算放大器进行放大和测量。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.2 工程测量中被测信号的特点,工程测量中的弱信号：心电信号 50V1mV 脑电信号 10V300V 肌电信号 20V10mV眼电 50V5mV 热电偶传感器输出信号：温度变化一度所产生的热电偶输出电压变化约40V左右。用于测量高温的铂/铂铑合金热电偶，温度变化一度所引起的输出电压变化只有6.5V。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.2 工程测量中被测信号的特点,2、信号源内阻信号源的内阻如果比放大电路的输入电阻大得多时，实际放大倍数将大大下降。为了减弱信号源内阻对测量的影响，放大电路的输入电阻应该大于大于信号源内阻。被测量的内阻决定于被测对象和所使用的传感器的性质，许多情况下，其内阻有很高的数值。例如用石英晶体和压电陶瓷传感器测量超声波；常用的话筒；对人体进行心电检测时，心电信号的内阻等。为了有效地测量这些信号，放大电路应该具有比信号源内阻更高的输入电阻，但通用型运放的差动输入电阻在0.12M之间，2M的输入电阻对于石英晶体和压电陶瓷等传感器来说，明显太小。,由于大量高内阻信号的存在，从输入电阻来看，通用型的运放也不能满足工程测量的要求。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.2 工程测量中被测信号的特点,3、存在各种干扰信号科学和工业测量的现场环境很复杂，被测信号常需要通过长距离的传输，除有用信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电流或电压，即为我们所说的干扰信号。干扰的来源很多，包括热噪声、温度效应、振动的影响等，但主要的是电气干扰，电气干扰的存在使得信号的测量变得更为困难。,电气干扰分为差模干扰和共模干扰，差模干扰可以通过输入连接线屏蔽、绞合等方法来降低，而共模干扰仍然存在，而且常达到110V，甚至更高。通用运放的共模抑制比为7090dB，如果被测信号幅度1mV，共模干扰信号达到10V时，使用通用运放就无法进行有效的放大。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.2 工程测量中被测信号的特点,4、信号的频率特性任何一个周期信号，将其分解为一系列正弦波的叠加时，常常只需要保留前面低频段的有限个谐波就足以满意地复原出原来的信号。这些有限的谐波就组成了该周期信号的频谱，一个信号的频谱决定了该信号的频带宽度，简称信号的频宽。例如人体主动脉压力波的频宽是120Hz，声音信号频宽20Hz20KHz，电视图象信号的频谱宽为6MHz。,通用运放只能用于放大音频信号，如果一个信号的频带宽度超过100kHz，就不能用通用运放对其进行放大。,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.3 工程测量中被测信号的分类,根据前面关于工程中被测量信号特点的分析，可以将被测信号分成以下几类，由于信号性上的差异，对各类信号进行测量时需要使用不同类型的集成运算放大电路：,1、能采用通用型运放进行放大、测量的小信号这类信号的幅度在200V以上，内阻小于20k，所伴随的共模干扰信号小于0.1V，频带宽度在20 kHz（音频）以下；,2、微弱信号幅度小于200V的信号，需要采用高精度运算放大器进行放大；,3、高内阻的信号 信号源内阻高于20 k时应采用高输入电阻的运算放大器进行放大；,14.1 工业领域被测信号的特点与分类,14.1.3 工程测量中被测信号的分类,根据前面关于工程中被测量信号特点的分析，可以将被测信号分成以下几类，由于信号性上的差异，对各类信号进行测量时需要使用不同类型的集成运算放大电路：,4、宽频带（高频）信号信号带宽超过音频范围（大于20 kHz）时，需要采用宽带运算放大器进行放大；,5、高内阻、高共模干扰的微弱信号工程测量中还存在许多同时具有信号微弱、内阻很高、共模干扰很大特点的信号，为进行这类信号的测量发展了集成仪表放大电路。,上述五类信号中，适宜于使用通用型运算放大器进行放大的，放大电路即为第12章所述的比例运算电路，下面限于讨论其他四类信号的测量放大。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,工程上有大量待测信号属于前面所述的微弱信号。例如，重量传感器、热电偶传感器、应变传感器、地震探测传感器等输出的信号都属于这类信号。用于电子天平的典型重量传感器外型如图所示。,传感器输出信号内阻较低、属低频信号、存在共模干扰信号，但相对较小，但信号微弱，对放大器的稳定性有特别高的要求。高精度运算放大器的特点是输入噪声低、输入失调电压低、输入失调电压温漂低、差模增益高，这些特点正好符合上述微弱信号的测量要求。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.1 封装和引脚功能,ICL7650有两种封装，塑料双列直插（PDIP）式封装和金属圆壳（METAL CAN）封装，外型如下图所示。PDIP封装的分8引脚和14引脚两种，TO-5金属外壳封装的仅有8引脚型。与8引脚相比，14引脚封装的7650具有较多的附加功能。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.1 封装和引脚功能,各引脚功能如表所示：,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.2 主要特性参数,ICL的失调电压、失调电压温度系数、失调电流、输入偏置电流、增益、共模抑制比和输入等效噪声电压等参数见表11-3。除上述参数以外，ICL7650还有以下重要特性参数：,输入电阻 1012；失调电压时变 100nV/月；单位增益带宽 2MHz；电源电压 3V8V；允许功耗 TO-5封装250Mw；陶瓷DIP封装500mW；塑料DIP封装375Mw。,注意其失调电压时变很小，一个月内只有100nV的变化，因此特别适用于电子天平、电子秤、地震探测仪等设备。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.3 典型应用电路,ICL7650的典型应用电路如图所示，这是一个电子秤中用来对称重传感器的输出电压进行放大的电路。传感器的两根输出信号线分别接运放的反相和同相输入端，信号由两个输入端输入4脚和5脚输入，10脚输出，RF是反馈电阻，调节RF，可改变放大倍数。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.3 典型应用电路,图中各外接元件和引脚功能说明如下：,1、时钟选择ICL7650需要在稳定的振荡信号（时钟信号）控制下工作，芯片内部能自动提供这种信号，也可以从外面输入时钟信号控制其工作。如果需要从外面输入时钟信号，应将14脚接电源负极，外时钟从13脚输入。如果使用内部时钟，13、14脚悬空即可。右图所示的电路属使用内部时钟。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.3 典型应用电路,图中各外接元件和引脚功能说明如下：,2、记忆电容CA、CB选用内部时钟时记忆电容CA、CB取0.1F，使用外时钟时容量随频率而变，频率越高，容量越小。CA、CB应采用高品质、低漏电的聚丙稀电容。,3、输出钳位 ICL7650有钳位保护功能，需要使用这种功能时，将9脚接反相输入端即可，如图所示。启动钳位功能后，出现输出过载时可以缩短恢复时间。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,14.2.3 典型应用电路,图中各外接元件和引脚功能说明如下：,4、漏电保护7650是高精度、低漂移的集成运放，输入信号只有几十微伏时就能正常工作，这时电流会从正电源引脚经线路板表面进入两个输入端。为了避免这种电流对运放的正常工作产生不良的影响，需要对印刷电路板作特殊的处理。,14.2 微弱信号测量和高精度运放ICL7650,4、漏电保护1、利用线路板的双面敷铜皮制成回路，将两个输入端4、5脚围起来组成隔离环，并将隔离环接到与输入端等电位的点上去，图所示的情况下是接地。这样来自电源正极的漏电流直接入地，对运放的工作就不会有影响。2、线路板材料必须有高的绝缘性能，电路板制作完成后需用酒精清洗，压缩空气吹干，再用环氧树脂或硅胶涂覆，以防止沾污而造成微量的漏电。,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,工程上还存在大量高内阻的待测信号。例如，电化学分析中的微电极，它将溶液的化学成分、浓度等转化为微弱的电流输出；又如测量真空度的真空计，它通过流过真空计的离子流的测量来求出容器中的真空度。这些信号的共同特点是内阻非常高，因此表现为电流源，而且电流十分微弱。微电极的电流在nApA的范围，真空计离子电流在nA数量级（对应的真空度为10-5Pa）。,如何测量这些电流？下面分别讨论使用理想运放和通用型运放进行测量会得到怎么样的结果,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,用理想运放测量微弱电流,用理想运算放大器测量这些电流的方法很简单。用IP表示待测的传感器输出电流，连接测量电路如所示，由于运放是理想的，流入反相输入端的电流为零，因此传感器输出的电流全部流向电阻RF。另一方面，反相段端是虚地，因此输出电压U0和IP的关系为：,即运放的输出电压与传感器输出电流成正比，测量U0，即可求出传感器输出的电流IP。由此可以实现真空度、溶液化学成分、浓度等信号的测量。,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,使用通用型运放测量微弱电流,通用型运放的偏置电流约为10200nA，而待测传感器电流的大小在nA和pA之间，假设通用运放偏置电流为100nA，待测传感器电流为1 nA，我们再来分析运放反相输入端电流分配情况。,从图可以看出，由于流入运放输入端的偏置电流IB（100nA）比传感器输出的电流IP（1 nA）大得多，流过电阻RF的电流的方向就反了过来了，为保证IP+I1=IB，反相输入端也不再是虚地，理想运放情况下所得的式（1）不成立，也就无法实现上述电流的测量。关键的问题是实际运放的偏置电流不等于零。,（1）,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,使用通用型运放测量微弱电流,通用型运放的偏置电流约为10200nA，而待测传感器电流的大小在nA和pA之间，假设通用运放偏置电流为100nA，待测传感器电流为1 nA，我们再来分析运放反相输入端电流分配情况。,如果尽量减小偏置电流，使其比待测电流（即传感器的输出电流）小得多，则式（1）可以近似地成立，偏置电流越小，这种近似就越准确。高阻型运放的特点便是输入电阻高、偏置电流小，采用高阻型运放，就可以完成前面所述的各种传感器输出电流的测量。,（1）,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,14.3.1 封装和引脚功能,CA3140有8脚TO-5和8脚DIP两种封装形式，如图所示：,其引脚功能如下表所示：,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,14.3.2 主要参数,1、调零电路 CA3140的失调电压较大（2mV），使用时必须调零（失调补偿）。调零的电路如图(a)、(b)、(c)所示。,14.3.3 典型应用电路,调节范围过大，调节不方便,两端加接电阻，调节平稳,除了表11-4所示的各项参数以外，较重要的技术参数如下：电源电压：不得超过36V；差模输入电压：不得超过8V；,14.3 高内阻信号测量和高阻运放CA3140,14.3.1 封装和引脚功能,CA3140的一个典型的应用便是进行微弱电流的测量，电路如图所示。,被测量的是传感器的输出电流IP，RF为反馈电阻，由于CA3140的偏置电流为0.01nA（见表11-4），与被测量的电流IP（1 nA）相比可以忽略，因此传感器输出电流IP全部流向电阻RF，式（1）成立，于是就实现了传感器输出的微弱电流的测量。,（1）,14.4 宽带运放HA2620,频谱在06MHz范围的信号称为视频信号，电视机中图象信号即为最常见的视频信号之一。通用型运算放大器的单位增益带宽只有2MHz左右，只能用来放大音频信号（020kHz），放大视频信号需选用宽带运放。下面以宽带运放HA2620为例作介绍。,14.4 宽带运放HA2620,14.4.1 HA2620封装和引脚功能,14.4 宽带运放HA2620,14.4.2 主要特性参数,输入失调电压：0.5mV输入偏置电流；1nA输入失调电流：1nA输入电阻：500M开环电压增益：150000共模抑制比：100dB单位增益带宽：100MHz,14.4 宽带运放HA2620,14.4.3 典型应用,由HA2620组成的视频放大电路如图所示。该放大电路属同相输入放大电路，与音频、低频时的情况不同，反馈电阻两端需按该电路说明书的要求并联电容C1，容量是5pF，其作用是进行频率补偿，以便获得6MHz以上的闭环带宽，图中100k的电位器用来调节失调电压。,14.5 集成仪表放大电路,人体生物电是典型的高内阻、高共模干扰而又十分微弱的信号。以体表心电信号为例，其幅度只有30V1mV，但工频的共模干扰信号可以达到几个伏特，其内阻也在1M左右。这类信号的测量可以有两种方法，一是由多个通用运放组成适合于上述信号的测量电路；二是使用专门研发的集成仪表放大电路。首先讨论如何用通用运算放大器组成测量电路。,14.5 集成仪表放大电路,14.5.1 单运放差动输入测量电路,最简单的测量电路是由一只运算放大器组成的差动输入方式的测量电路，如下图所示。,由于运放接成差动输入方式，运放有很高的共模抑制比，因而来自传感器的共模干扰信号能获得较好的抑制。但放大电路的输入阻抗为：,为保证放大电路有较高的差模放大倍数，R1只有几k的大小，因此差模输入电阻也就只有几k的大小。如果信号源内阻在1M以上，这种电路的放大效果就很差。,14.5 集成仪表放大电路,14.5.1 单运放差动输入测量电路,设信号源us的内阻为RS，将这个信号加到运放的两个输入端，输入端的电压不是us，而是ui，两者之间的关系是：,式中rid是运放电路的差动输入电阻，根据式（14-3），它等于2R1。,设RF为0.5M，为了获得100倍的差模放大倍数，R1应等于5k。这种情况下，假设信号源内阻为1M，将这些数据代入式（1），得出：,（1）,单运放差动输入电路不能用于放大高内阻的差模信号！,14.5 集成仪表放大电路,14.5.2 运放组成的基本测量放大器,为了克服单运放差动输入方式输入电阻太小的缺点，提出了由三个运放组成的放大电路，如图所示。由于它能有效地提高差模输入电阻而又具有较好的共模抑制能力，因此曾得到广泛的应用，被称为测量放大器，也称为仪表放大器。,由于A1和A2都接成同相输入方式，因此有很高的差模输入电阻，另一方面，A3工作于差动输入方式，因此保证了测量放大电路有很高的共模抑制比。输出电压：,14.5 集成仪表放大电路,14.5.2 运放组成的基本测量放大器,三运放组成的测量放大电路与单运放电路相比，优点十分明显。只要选用共模抑制能力强、电压增益高、噪声低、同相端输入阻抗高的运放来组成测量放大器，就可以获得相当好的效果。,但是，进一步提高其性能却遇到了问题。测量放大器的性能除了与A1、A2、A3各自的性能外，还决定于彼此的对称性，即运放A1、A2的特性要完全匹配，两个电阻R1必须严格匹配，包括阻值和阻值随温度变化的特性都要相同，两个电阻R2、R3也必须严格匹配。,实际上，这种匹配十分困难！,14.5 集成仪表放大电路,14.5.2 运放组成的基本测量放大器,解决上述问题的方法是采用混合集成电路工艺，将所需的三个高性能运放和电阻等元件一起集成到一个单片电路中来。将三个运放集成到一片电路中来，可以保证三个运放的特性参数彼此匹配，为了保证电阻的匹配，则采用了薄膜镍铬合金电阻制造工艺，并使用激光微调技术，使相关的电阻阻值和温度特性达到极高的精度并彼此匹配。这样制作的专用的集成电路就是集成测量放大器或集成仪表放大器。,在应用的驱动下，已经开发出很多品种的集成仪表放大电路，其内部电路基本上就是前面所介绍的由多个运放组成电路。,14.5 集成仪表放大电路,14.5.2 运放组成的基本测量放大器,外型及封装,集成仪表放大器INA101内部电路,14.5 集成仪表放大电路,14.5.2 运放组成的基本测量放大器,主要参数,常用集成仪表放大电路参数,14.5 集成仪表放大电路,14.5.3 典型集成仪表放大器应用电路识读,以低功耗集成仪表放大电路AD620A组成的心电信号测量为例，说明集成仪表放大电路的应用。,1、封装和引脚功能,AD620A有8脚塑料双列直插封装和扁平贴片封装，前者大小为10mm8.5mm，后者大小为5mm6.2mm。引脚功能如下：,电路的放大倍数通过外接电阻RG调节，1、8脚是外接电阻的连接端。电路增益G与外接电阻RG的关系为：,14.5 集成仪表放大电路,14.5.3 典型集成仪表放大器应用电路识读,以低功耗集成仪表放大电路AD620A组成的心电信号测量为例，说明集成仪表放大电路的应用。,2、主要参数,AD620A主要参数如下：共模抑制比：G=10时，110dB；G=100时，130dB；噪声电压：G=10时，0.55A；G=1001000时，0.28A；静态电流：0.9mA；输入偏置电流：0.5nA；输入失调电流：0.3nA；输入失调电压：30V；输入失调电压温漂：0.3V/差动输入电阻：10G。,14.5 集成仪表放大电路,14.5.3 典型集成仪表放大器应用电路识读,3、典型应用电路,上图是低功耗集成仪表放大电路AD620A组成的心电信号测量电路，左右两手间的心电信号被送到仪表放大电路的两个输入端2脚和3脚，放大后的信号从6脚输出。1脚和8脚之间的电阻为7k，代入式（1），求得放大倍数等于7。,（1）,14.6 集成信号测量应用电路设计,用分立元器件组成微弱信号的放大电路，电路的设计十分复杂，相比之下，使用集成运算放大电路，其设计将变得十分简单。回顾前面关于各种应用电路的分析，可以看出，所谓“应用电路设计”实际上就是选择合适的运算放大器，然后根据该集成放大电路的要求组成实际测量电路，因此将集成信号测量应用电路的设计归纳为以下几个步骤：,1、分析待测（输入）信号的特性我们知道，不同特性的输入信号，对于放大器有不同的要求，因此必须充分了解待测信号的特点才能准确地选择最合适的集成电路。工程上常见的信号，其特性主要包括幅度、共存的干扰信号大小及性质、信号源内阻、信号频谱（频率特性）等几个方面。根据这一分析，可以将信号分为14.1.3所述的五类，从而为集成运算放大电路型号规格的选择提供了依据。,14.6 集成信号测量应用电路设计,2、根据信号特性分析的结果，加上以下几方面的要求，选择合适的集成电路：（1）功率耗散上的要求。如属便携式产品中的测量、放大电路，需采用低功耗的集成电路；（2）封装要求。一般电路都有双列直插式封装和贴片封装，要根据产品的要求确定选择封装方式。,3、按照该集成电路说明书的要求确定应用电路，选择确定外接元器件的型号规格、确定电源电压的数值、要求。,4、注意该集成电路有无工艺上的特殊要求。例如ICL7650就有工艺上的要求,第14章讲授到此结束 谢谢大家！,
