第二章 信号放大电路（讲授4学时）一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么一、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测量放大电路电路，亦称仪用放大电路仪用放大电路。2、对其基本要求基本要求：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类型n按结构原理分为：n差动直接耦合式单端输入、电桥放大、电荷放大等n调制式n自动稳定式按元件制造方式：n分立元件n通用集成运算放大器n单片集成测量放大器第二章 信号放大电路4、几个重要术语术语开环增益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、典型放大器的设计二、典型放大器的设计（一）反相放大器Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 uoR3uiR1R2-+N1第二章 信号放大电路（二）同相放大器Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3uiR1R2-+N1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 / R1R3= R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡uoR3uiR1R2-+N1C1C3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uoR3uiR1R2-+N1C1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 uoR3uiR2-+N1C1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uoR1R2C2C1R3-+ui自举电路b)交流电压跟随电路uouiR1R2C2C1R3-+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 uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)自举电路何谓自举电路何谓自举电路? 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是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？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？什么是差动放大器？ 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R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic差动放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1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输出信号中无共模信号成分差动放大器差模增益Kd共模增益Kc共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc缺点：输入阻抗低，增益调整困难，应用受限第二章 信号放大电路三、稳零放大电路三、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-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 电路原理图UoC1UiR1R2K1-+N1c) 调零放大输出K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 误差保持自动调零放大电路 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 电容电容C1寄存了运算放大器寄存了运算放大器N1的失调电压的失调电压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。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：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。作业：作业：p54, 2-8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）什么是什么是CAZ运算放大器？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：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运算放大器输出C1G输入 C2+输入 输出 R2-+N1-+N2R2C1GR2输入 -+N1-+N2R2+输入 a) N2处于自动校零状态b) N1处于自动校零状态C2第二章 信号放大电路2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650)内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+-+N1+-+N2+-斩波稳零集成运算放大器误差检测和寄存阶段：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。校校零零和和放放大大阶阶段段：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：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四、高共模抑制比放大电路 什么是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=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2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)/R4uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1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)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1)R5 /R3 ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3高共模抑制比放大电路（三）有源屏蔽驱动电路差 动放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N3高共模抑制比放大电路什么是有源屏蔽驱动电路？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作业：作业：p55，2-8，2-9u2R0uoRPN3R0u1ucA+E-Eui1ui2+-+N1-+N2+-+N4+-+N5-+uA第二章 信号放大电路五、电桥放大电路五、电桥放大电路何谓电桥放大电路？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Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na) 反相输入R+RR2R1uoRRRu-+Nb) 同相输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR电桥放大电路（三）线性电桥放大电路作业：作业：p55，2-12，2-13uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub-+N第二章 信号放大电路六、隔离放大电路六、隔离放大电路什么是隔离放大电路？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？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、组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso隔离放大电路2、原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV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电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U-+N1-+N2隔离放大电路 235L电源904510增益微调用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路10k10k1k235L电源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C 0.1F隔离放大电路2、互补式光电耦合放大电路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)uo=(R5+ Rp) ui/R1作业：作业：p55，2-18-+N1C10VVLC1i1R210V10VVLC2i2R3R1ui10VuoR5-+N2R43.9kRp隔离放大电路（三）程控增益隔离放大电路R4D1D2RRAD27715VV1V2Uo514169101123输入放大器15V12R190901191021414CD405312136853R2R390990.910.116 7输出R15V15VFD333FD33324k7.5V24k5107.5V1547k47k7.5V7.5V5107.5VR(1+)2k1N7557.5V1N7552k7.5V7.5V