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第二章 信号放大电路,一、何谓测量放大电路?对其基本要求是什么? 1、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,亦称仪用放大电路。 2、对其基本要求: 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;,第二章 信号放大电路,低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移; 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。 3、测量放大电路的类型,第二章 信号放大电路,4、几个重要术语 开环增益K 闭环增益Kf 差模增益Kd 共模增益Kc 输入失调电压u0s 输入失调电流I0s 零点漂移 共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc,第二章 信号放大电路,二、典型放大器的设计 (一)反相放大器 Kf= uo / ui = R2 / R1 R3= R1 / R2,第二章 信号放大电路,(二)同相放大器 Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 / R2 Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 ,第二章 信号放大电路,(三)交流放大器 1、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,交流放大器,2、同相交流放大电路 C1:隔直电容 R3 :C1的放电回路 R3 必须有 zi =R3 使同相放大器失去高输入阻抗的特点,交流放大器,3、交流电压跟随电路 同相放大电路的特例 为减小失调电流,R3= R2,交流放大器,4、自举式高输入阻抗放大电路 a)同相交流放大电路,自举电路,b)交流电压跟随电路,自举电路,c)自举组合电路 输入电阻为 Ri=(R1R2)/(R2-R1) 当R2=R1时,Ri i2 = i1,自举电路,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? 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。,第二章 信号放大电路,(四)差动放大器 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。,差动放大器,基本电路 共模与差模输入,差动放大器,等效电路,ud= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2 由等效电路可得 uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2,R3=R4,则uo=(R3/R1) ud 即只对差模信号进行放大 假设放大器只有共模信号作用时 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,第二章 信号放大电路,三、稳零放大电路 三种常用电路: (一)由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路(自学) (二)自动调零放大电路 (三)低漂移单片集成运算放大器,第二章 信号放大电路,(二)自动调零放大电路,自动调零放大电路,由图a,当N3输出高电平,Sa1、Sa2导通,电路处于失调调零状态,见图b。可推出: Uc1(Uo1U0s2)K2 Uo1(U0s1Uc1)K1 Uc1U0s1 电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。 当N3输出低电平,Sb1、Sb2导通,电路进入信号放大状态,见图c。可推出: Uo(R2/R1)Ui 实现了对失调电压的校正,达到了自动调零的目的。,自动调零放大电路,电路特点: 性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路; 输出电压较稳定; 波动小; 电路成本低(用一块四运放LF347和一块4位模拟开关CD4066即可组成); 适用于毫伏级的低电平放大。,第二章 信号放大电路,(三)低漂移单片集成运算放大器 1、轮换自动校零集成运算放大器(CAZ运算放大器) 什么是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。,问题:该电路与自动调零放大电路的主要区别何在? 什么场合下采用较为合适?,CAZ运算放大器,第二章 信号放大电路,2、斩波稳零集成运算放大器(ICL7650),斩波稳零集成运算放大器,误差检测和寄存阶段:时钟为高电平,Sa1、Sa2闭合,N2两输入端被短接,只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出,由电容C2寄存,同时反馈到N2的侧向输入端A2,此时Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。 校零和放大阶段:时钟为低电平,Sb1、Sb2闭合,输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外,在侧向端A2还作用着Uc2,此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除,达到稳零目的。,斩波稳零集成运算放大器,此时, Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 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?,第二章 信号放大电路,四、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。,高共模抑制比放大电路,(一)双运放高共模抑制比放大电路 1、反相串联结构型 uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2 当R2/R1=R4/R5,ui1=ui2时, uo=0 通常取R1=R5,R2=R4,高共模抑制比放大电路,2、同相串联结构型 uo1=(1+R2/R1) ui1 (uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4 uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 为了获得零共模增益,可取 R1/R2=R4/R3,高共模抑制比放大电路,(二)三运放高共模抑制比放大电路 IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ,uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp uo =(uo2uo1)R5 /R3,高共模抑制比放大电路,(三)有源屏蔽驱动电路,高共模抑制比放大电路,什么是有源屏蔽驱动电路? 将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后,使其输入端的共模电压11地输出,并通过输出端各自电阻(阻值相等)加到传感器的两个电缆屏蔽层上,即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动,而不是接地,电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零,这种电路就是有源屏蔽驱动电路。 应用于何种场合? 经常使用于差动式传感器,如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。,高共模抑制比放大电路,(四)浮动电源共模自举式放大电路,第二章 信号放大电路,五、电桥放大电路 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。,电桥放大电路,(一)单端输入电桥放大电路,电桥放大电路,(二)差动输入电桥放大电路,电桥放大电路,(三)线性电桥放大电路,第二章 信号放大电路,六、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。 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。,隔离放大电路,(一)基本原理 1、组成及符号,隔离放大电路,隔离放大电路,隔离放大电路,2、原理框图,隔离放大电路,(二)通用隔离放大电路 1、AD277变压器耦合隔离放大器,隔离放大电路,隔离放大电路,2、互补式光电耦合放大电路 i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp) uo=(R5+ Rp) ui/R1,隔离放大电路,隔离放大电路,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。,2.6 电荷放大电路,灵,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。,增益调整放大电路是既能方便调整放大电路的增益,又不降低放大电路共模抑制比的专用电路。 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。 放大电路的增益调节有手动、自动和程控等方法。,2.3.11 增益调整放大电路,2.3.11.1 手动增益调整放大电路,4值匹配电阻组成的差动放大器手动增益调整电路,可变电阻R用来调节放大器增益。 用于调整范围小于10%的场合,R2,输入信号较小时,逻辑控制电路输出零电平,V饱和导通,r很小,电路增益最大; 输入信号超过某界限时,逻辑控制电路输出负电平, V截止,r,电路增益最小。,2.3.11.2 自动增益调整放大电路,改变反馈电阻的自动增益调整电路 在最小、最大两种增益间自动切换,Rx=R3+r(r为场效应管漏源电阻),1.通用可编程增益放大电路,2.3.11.3 可编程增益放大电路,Uo,多路模拟开关,g,根据需要将R3R6与 R2并联,使增益减小。,由确定的程序来控制放大电路增益的电路,此电路通过开关的通断改变运算放大器N的并联反馈电阻,来实现增益程控。 电路结构简单,但开关导通电阻影响电容精度,开关分布电容影响电路的稳定可靠和速度 适用于低增益和低精度的场合,2. 数字式可编程增益放大电路,a)改变并联输入电阻,4个模拟开关,实现015中任意正整数的增益值。 开关通断改变N的输入电阻 开关电阻的差异和变化将直接影响总增益精度。,每次只能导通一个开关,只能获得1、2、4、8二进制增益值。,2. 改变并联反馈电阻,3.集成可编程增益差动放大器,输入级: 运算放大器N1、N2开关 R1R7,LH0084集成数字式可编程增益放大器,2.3.11 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,
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