信号预处理电路-信号放大电路.ppt

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1、第二章 信号预处理电路信号放大电路,1 信号预处理（调理）目的:对传感器输出的电信号预先进行一次处理(或调理)，以提高信号的质量，完成归一化。,2 信号预处理输出电路输出信号要求（1）输出幅度达到国家标准 电压05V，电流420mA（2）限制信号的频率范围 既满足系统性能要求，又可以最大限度降低对采样保持电路和ADC的要求，以优化系统设计。,一 概 述,信号放大电路：幅度放大微弱、动态范围不一致滤波电路：频率滤波 各种干扰、采样频率其它调理电路校正、补偿、检波、变换,3 信号预处理电路的组成,4 对信号放大电路的基本要求输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低输

2、入失调电压和输入失调电流以及低漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,集成运放是一种多级直接耦合的高增益放大电路。输入级采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围；,5 集成运放的输入级采用差放电路,直接耦合方式的优缺点,低频特性比较好：直接耦合既可以放大交流信号，也可以放大变化缓慢的信号，还可以反映信号直流电平的变化。便于集成：电路中没有电容和电感，只有管子和电阻。设计、计算和调试不便：因为直接耦合方式是前后级直接相连，使各级的静态工作点不是独立的，会相互影响。,零点漂移问题,电路的输入端短

3、路时，输出电压应为某一初始值(用正、负电源供电时，一般要求为零)，而且应该不变。实际上，随着时间的迁移，输出电压会偏离初始值而作缓慢的随机的变动。这种现象就叫做零点漂移，简称零漂。,产生零点漂移的原因,元件参数变化电源电压波动晶体管参数随温度的变化是主要原因UBE、ICBO 三个参数都与温度有关,零点漂移问题的严重性及抑制方法,采用恒温措施；采用补偿法，采用热敏元件或二极管等；设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移互相抵消。在运算放大器中，广泛采用差动放大电路来抑制零漂。,差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个

4、信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基本特征有2个：（1）对称；（2）长尾。,二 差分放大电路,电路特点：（1）理想对称电路；（2）共用射极电阻Re；（3）两输入端、两输出端；,静态时(ui1=ui1=0)的特点：（1）VC1=VC2；（2）uo=0；,四种工作方式双端输入双端输出；双端输入单端输出单端输入双端输出；单端输入单端输出,1 静态分析,温度T,IC,IE=2IC,UE,UBE,IB,IC,RE的作用,设ui1=ui2=0,RE 具有强负反馈作用,抑制温度漂移，稳定静态工作点。,IC1=I

5、C2=IC=IB,UC1=UC2=UCCICRC,UE1=UE2=IBRBUBE,UCE1=UCE2=UC1UE1,差模(differential mode)输入,ui1=-ui2=uid/2,共模(common mode)输入,ui1=ui2=uiC,差模电压放大倍数:,共模电压放大倍数:,2 差放的输入信号分类,任意输入ui1,ui2，都可分解成一对差模分量和共模分量,例:ui1=20 mV,ui2=10 mV,则：uid=10mV,uic=15mV,差模信号,共模信号,差模信号通路,3 差放的差模放大作用,放大倍数,单边差模放大倍数:,T1单边微变等效电路,若差动电路带负载RL(接在 C

6、1 与 C2 之间),对于差动信号而言，RL中点电位为 0,所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,差模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相反。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相反；因此，双端输出的电压增量是单端输出电压增量的两倍。此时，长尾的电流增量和电压增量皆为零，这意味着长尾对差模信号而言，电阻值为零，这样，两管的发射极均为地电位，相当于标准共射放大电路，所以差放对差模信号具有放大作用。,rod=2RC,输入电阻：,输出电阻：,输入输出电阻,4 差放的共模抑制作用,共模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相同。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相

7、同；因此，双端输出的电压增量为零。在共模下，长尾的电流增量是单管的两倍，它将削弱对输入共模信号的放大作用。这个作用称为共模负反馈。电路匹配精度越高，长尾电阻越大，共模抑制能力就越强。,RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变）。,uC,ic1、ic2,iRE、uRE,共模信号通路,T1单边微变等效电路,AC 0,负载不影响影响共模放大倍数吗？,共模抑制比反映放大电路综合性能,理想：,实际：80140 dB,5 差放电路总输出,6 恒流源式差放电路,电路结构:,（1）恒流源相当于阻值很大的电阻。,（2）恒流源不影响差模放大倍数。,（3）恒流源影响共模放大倍数

8、，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,RO3很大见P162,7 差放电路的几种接法,双端输入双端输出：,Ad=Ad半,双端输入单端输出：,差分放大电路动态性能指标,对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。但双端输入可减小共模输入。,ud=ui,uc=0,ud=ui,uc=0.5ui,8 集成运放差动放大器,基本电路 共模与差模输入,uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1)(ui2-ui1)即只对差模信号进行放大若放大器只有共模信号作用

9、，则有uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3=R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分,一般应用中，信号放大只要通过差动放大电路即可满足需求，但基本差放电路的精密度较差（输入阻抗低、共模抑制性差），且变更放大增益时需调整两个电阻。测量（仪用）放大电路则无以上缺点。测量放大器是信号采集与调节系统输入端的第一个电路，其主要功能是高精度放大、测量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量。,三 测量（仪用）放大器电路,提高输入阻抗,四个电阻匹配难，CMRR不高,1 三运放测量放大电路,先放大差模信号，可降低后级的要求。,高输入阻抗、高CMRR、低

10、漂移,后级主要起匹配作用，提高CMRR,A1，A2的 大且一致,当 时，,2 单片集成测量放大器,在信号处理中采用单片测量放大器芯片。具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。美国Analog Devices公司提供的AD620、AD521、AD522、AD612、AD614等。国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604等。,AD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，只需外接一个电阻就可以设置13000范围的增益，且调节方便。,AD620脚位图第5脚为参考电压（REF）。当A3的两路输入处于平衡状态时，OUTPUT端的电

11、压就等于REF。RG对应三运放测量放大电路中的R4。,放大增益关系式,AD620放大电路图,AD620非常合壓力感測方面的應用，如血壓量測、般壓力感測器之電橋電路訊號放大等。,例1 压力测量电路,电压跟随器,相对于传感器桥的三角形地,a/d的AGND的电平为2V,例2 右腿驱动ECG放大电路,右腿驱动电路，减小共模信号,AD612和AD614测量放大器内部电路,AD612的测量电桥接线图,如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图所示，那么对交流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容C1、C2和传输线电阻Ri1、Ri2分别构成两个RC分压器。由于这两个

12、分压器并不完全对称相等，这就使共模干扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。,当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。,测量放大器在使用时护卫（Guard）端的连接,护卫端15脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压Vcm。屏蔽层接护卫端就使RC分压器两端电位都是Vcm，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。,3 可编程（程控）测量放大器PGA,在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。它是通用性很强的放大器

13、，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使A/D转换器满量程信号达到统一化。,测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、增益电阻切换型和D/A转换型。,可编程增益放大器的基本电路,码控四段转换可编程增益放大器,4 集成可编程增益放大器,把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。,在典型的数据采集系统中，PGA在ADC之前处理传感器/变送器信号的宽动态范围。很多公司把PGA和其他信号调理电路直接集成在ADC芯片上。这种方法有利于所占空间更小，比分离PGA和ADC方案具有更好的性能。然而，其成本比较高，集成PGA在ADC上除灵活性较低外，还有较高的时钟噪声电平。,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。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。,四 隔离放大电路,原理框图,通用隔离放大电路 AD277变压器耦合隔离放大器,