第二章-信號放大電路

第二章信號放大電路運算放大器的誤差及其補償1噪聲的基礎知識2典型測量放大電路3隔離放大電路4一、實際運算放大器及其特性理想∞0∞00～∞0第一節(jié)運算放大器的誤差及其補償實際90～100dB以上0dB以上100KΩ～數百兆Ω10～數百Ω0～10Hz（或0～10kHz）不可能差模增益kd共模增益ke輸入電阻ri輸出電阻ro帶寬相移二、失調及其補償輸入失調電壓：集成運算放大器輸出直流電壓為零時，所加的補償電壓。 常用代號Uos(mV數量級）

Uos隨時間和溫度而變化——零點變動——稱為零點漂移。 輸出失調電壓：Ui=0，輸出不為0時輸出端的電壓RP接入反相端RP接入同相端補償a.外接失調補償網絡b.運放常有失調調零端Op07集成運算放大器1、8腳之間就是輸入失調電壓的調零端輸入偏置電流：在標準電源電壓及室溫下，集成運放輸出電壓為0時，兩個輸入端靜電流的平均值。注意：這是使輸入級能正常工作所需要的電流（這樣后級才能正常工作）IBPIBNQ1Q2IO輸入偏置電流是提供OPA動作的原動力輸入失調電流：

在標稱電源及其室溫下，當集成運放的輸出電壓為0時，流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差。IBPIBPIBNIBNVEEVCCVOIOS=|IBP－IBN|產生原因：實際上無法使Q1與Q2完全對稱，β值不匹配，IBP≠IBN。可采用簡單的補償技術減少輸入失調電流在電路中的影響uoR3R1R2∞-++N1IB1IB2VXVY如果R3=R1//R2，IB1≠IB2，則VO=R2(IB1?IB2)=R2IOS，我們應該看到R2越大，輸出失調越大，因此反饋電阻R2能取的太大么？通常R2

=10~100KΩ三、運放的振蕩與相位補償UiUioUfUo電流、電壓反饋：將負載電阻短接，看反饋信號是否消失，若消失，則為電壓反饋，反之電流反饋。XoXiXsXfAβ自激振蕩：指在沒有輸入信號時（Ui=0)，放大電路也有輸出（Uo≠0），通?？梢杂墒静ㄆ饔^測到輸出的振蕩波形。一個具有負反饋電路的放大器，只要βA產生180°的相位差，即可能激發(fā)振蕩。環(huán)路增益的相位由于一般的OPA內部是由2~3段的放大器組成，因此出現三個極點的機會相當多，結果就會發(fā)生如圖的相移情況。最基本的方法就是把fo1移到更低的頻率處來工作。相位補償：在反饋放大電路的適當部分加入RC網絡，以改變AF的頻率響應。uoR3uiR1R2∞-++N1C2防止自激振蕩的C1很多集成運放都有外接相位補償網絡端在高頻區(qū)將產生附加相移，這就可能使負反饋變?yōu)檎答?，此時，如反饋深度較深，即≥1，就會產生自激振蕩，從而使運放無法穩(wěn)定地工作。ViC|A|AO0.1fp10fpRC電路波德圖fo1fo1’fo2fo3第二節(jié)噪聲的基礎知識通常，傳感器的輸出信號：幾毫伏，甚至更小。放大器輸入噪聲及其本身噪聲，往往大于放大器的輸入信號。怎么辦？ ---→需要減小噪聲。噪聲定義：干擾有用信號的某種不希望的擾動。

內部的稱為噪聲，外部的稱為干擾。

噪聲的波形是隨機的，即它的幅值、相位、頻率都是隨機的，其瞬時值不能預測，但每Hz帶寬內包含的噪聲功率從統計觀點看是一個常數。

噪聲的頻率是固定的，是可以預測的，但幅值與相位有可能是隨機的。例如接地噪聲。噪聲白噪聲：色噪聲：電路中常見的固有噪聲：

熱噪聲

散彈噪聲

低頻噪聲一.噪聲的種類和性質1.熱噪聲絕對零度以上的導體電子都有隨機運動，與溫度有關。電子隨機運動產生很多電流脈沖，均值為0。定義： ----導體中電荷載流子的熱激振動引起的。與頻率無關，屬于色噪聲還是白噪聲？電流經電阻后產生噪聲電壓，方均值不為零方均值電壓：K—玻耳茲曼常數K=1.38×10-23J/KT—絕對溫度B—噪聲帶寬R—導體的電阻或阻抗實部例如：室溫下290k下，R=1000Ω，B=1Hz，則可求得Ut(t)=4nV等效模型：Ut(t)噪聲電壓R無噪聲電阻但是，B=1KHz，R=10MΩ時，則可求得Ut(t)=12.7uV2.低頻噪聲低頻噪聲電壓的方均值與頻率大小成反比，又稱1/f噪聲。方均值：式中k1—與材料有關的常數。

I—工作電流。

a,b—由實驗確定的常數，對各種半導體b=0.8～1.5，a通常為1。

f—

工作頻率。一般，頻率低于1KHz時，低頻噪聲有很大作用，特別對于MOS場效應管更為明顯，所以調制頻率不應選得太低，至少高于1KHz。色噪聲3.散彈噪聲由于流過二極管、三極管位壘區(qū)的載流子不是連續(xù)的，顯脈沖性質，這種脈沖電流的平均值為0，方均值不為0。q—電子電荷，1.59×10-19CB—頻寬IDC—直流電流可見方均根值正比與,與f無關。白噪聲re首先把放大器視為無噪聲方框Ut(t)—

加到放大器輸入端的熱噪聲，通常是信號源內產生熱噪聲RS—信號源內阻放大器的噪聲用輸入端串聯的噪聲電壓發(fā)生器Un(t)和輸入端并聯的電流發(fā)生器In來代替。Un(t)—放大器各級電壓噪聲折算到輸入端的等效值。In—放大器各級電流噪聲折算到輸入端的等效值。Uni(t)Un(t)ZiInRSUt(t)USUo放大器二.處理放大器噪聲的方法1.等效輸入噪聲把這三個噪聲等效到放大器的輸入端去，用Uni(t)來代替，當Zi>>Rs時，∴等效噪聲電壓Uni(t)與放大器自身參數有關信號源內阻有關當Rs=0時，與電壓噪聲有關當Rs足夠大時，與電流噪聲有關這種關系可見圖2-41Uni(t)Ut(t)UnlgRsInRs衡量放大器中信噪比惡化程度的指標。

信噪比——信號有效功率S對噪聲有效功率N之比，S/N。噪聲系數：理想運算放大器F=?，我們應該努力減小還是增加F？重要結論：Rs=ro

，此時為最佳源電阻。注意：最佳源電阻完全取決于噪聲模型（Un—In）與輸入阻抗無關2.噪聲系數3.最小噪聲系數和最佳源電阻補充：數字濾波降噪技術（軟件濾波算法）滑動平均濾波方法：把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數據.(先進先出原則)，把隊列中的N個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果。N值的選?。毫髁?，N=12；壓力：N=4；液面，N=4-12；溫度，N=1-4作用：抑制隨機噪聲，并保留信號陡峭邊沿非常有效，缺點是靈敏度下降。累加平均濾波（算術平均濾波）方法：連續(xù)取N個采樣值進行算術平均運算。N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。累加平均次數和信噪比之間的關系由以下公式表示：其中M是累加平均次數，

SNRa是累加前的信噪比，

SNRb是累加后的信噪比。作用：抑制隨機噪聲，缺點是對于測量速度較慢或響應速度要求較高的場合不適用。第三節(jié)、

典型測量放大電路測量放大電路的結構形式是由傳感器的類型決定的。例如：電阻應變式傳感器——電橋放大器光電池、光敏電阻——電流放大器一、測量放大電路的基本要求和類型①阻抗匹配②增益穩(wěn)定③低噪聲 ④低的輸入失調電壓和輸入失調電流、低溫漂⑤足夠的帶寬和轉換速率（放大瞬態(tài)信號、輸出電壓跟蹤輸入電壓的能力）⑥高共模輸入范圍（幾百伏）和高共模抑制比⑦可調的閉環(huán)增益 ⑧線性好、精度高⑨成本低測量放大電路（按結構原理）差動直接耦合式調制式：斬波穩(wěn)零自動穩(wěn)零式：自動穩(wěn)零放大電路單端輸入(同相/反相)放大電路電橋放大電路電荷放大電路二、反相放大電路uoR3uiR1R2∞-++N1閉環(huán)增益Ri=R1，Ro=0可見輸入阻抗不高，(100~1000)Ω

≤R1≤(5~100)KΩ，(100~1000)Ω

≤R2≤(50~1000)KΩ，在提高放大器的輸入阻抗與提高電路的增益之間存在一定的矛盾，可用變形一。R3=R1//R2帶濾波器的反相放大器見變形二。Kf=uo/ui=–R2/R1uoR3uiR1R2∞-++N1C1C3交流反相放大電路：增益和阻值Kf=–R2/R1R3=R2

電容作用C1：隔直電容C3：旁路電容，防止振蕩C3R3>C1R1三、同相放大電路uoR3uiR1R2∞-++N1Kf=uo/ui=1+R2/R1R3=R1//R2Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3→∞Ro=0同相輸入運算放大器的同相端和反相端都等于輸入電壓，相當于輸入端有一個共模信號，因此構成同相放大器時要求運放有較高的共模抑制比和較大的共模信號輸入電壓范圍。特例：電壓跟隨器平衡電阻uoR3uiR1R2∞-++N1C1同相交流放大電路:C1：隔直電容R3：C1的放電回路，注意：R3

必須有Zi=R3

使同相放大器失去高輸入阻抗的特點交流電壓跟隨電路？uoR3uiR2∞-++N1C1補充：電壓跟隨器的應用實例PH傳感器電路中，前級輸出阻抗很高，電壓跟隨器具有高輸入阻抗，可實現阻抗匹配，電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶負載能力的作用。四、差動放大電路什么是差動放大器？差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。R2uoR4ui2R1∞-++N1R3ui1基本電路R2uoR4uid/2R1∞-++N1R3uid/2uic共模與差模輸入差模電壓uid=ui2﹣ui1

由線性疊加原理分析可得若R1=R3，R2=R4，則uo=﹣(R2/R1)ud即只對差模信號進行放大這時若只有共模信號時，uoc=0，抑制共模信號共模電壓uic=(ui1+ui2)/2抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR來表示：如何求差動放大電路的共模抑制比？要使CMRR→∞，可得工程上為了減少器件品種和提高工藝性R1=R3R2=R4五、高共模抑制比放大電路什么是高共模抑制比放大電路？用來抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的放大電路稱為高共模抑制比放大電路。應用于何種場合？應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。一般的運放共模抑制比80db左右所以我們采用多運放組合而成的測量放大電路，共模抑制比100～120dB1.雙運放高共模抑制比放大電路①反相串聯結構型ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2AN1反相放大：可見當，ui1=ui2時，uo=0，共模抑制通常取R1=R5，R2=R4，共模抑制比與電阻精度有關系。②同相串聯結構型uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1N1同相放大N2同相放大，輸出端有共模電壓：差模電壓：uid=ui2-ui1上式改為：如何得到零共模增益？同時，同相輸入，輸入阻抗很大2.三運放高共模抑制比電路uoui1ui2uo1uo2R1RoR2R7RPR8R3R4R6R5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3大范圍增益調整電路差分放大N1N2兩個完全一樣的運放構成平衡對稱差動放大輸入級N3

雙端輸入單端輸出差放差模增益：由此我們可以看到共模信號是被抑制的，且不要求外部電阻匹配，同時為了消除N1、N2輸入偏置電流，取R1=R2，調節(jié)電位器Ro，還可改變差模增益，這就是我們所說的大范圍增益調整電路缺點：N1和N2的CMRR1、CMRR2不相等時，會把輸入端的共模信號傳到輸出端。同時，N3輸出級前提：R3=R4，R5=R6電阻偏差很大，影響輸出，精度控制在0.1％之內N3兩端之間接入R7和R8和RP共模補償電路，調節(jié)RP，可補償電阻的不對稱。補充：單片集成測量放大器以AD620為例（典型三運放結構）特點：1.低成本，高精度；2.電源范圍寬（±2.3～±18V）3.體積小，低功耗（≤1.3mA）4.只需一個外部電阻就可設置放大倍數1-1000；

單片集成測量放大器的優(yōu)點：無需為組裝挑選性能完全一致的幾個集成運放。應用場合：常用于傳感器接口電路，心電圖檢測儀，

精密電壓電流轉換電路等。為保證增益控制的高精度，輸入三極管用差分雙極輸入；用超β工藝獲得更低的輸入偏置電流；通過輸入級內部Q1-A1-R1和Q2-A2-R2反饋環(huán)路，保持輸入三極管的集電極電流恒定，所以輸入電壓相當于加到外部增益控制電阻RG上；兩個內部增益電阻R1和R2精確確定為24.7KΩ。電路增益：3KΩ,﹢5V供電的壓力傳感器電橋：電橋功耗僅1.7mA，AD620和AD705緩沖電壓驅動器對信號調節(jié)，使總供電電流僅為3.8mA，電路產生的噪聲和漂移極低。應用舉例：壓力傳感器檢測電路AD705及其外圍電路作用：右腿驅動，有緣屏蔽驅動。前置放大增益不能過大，RG=8.25KΩ，G=7。應用舉例：心電檢測電路1.自動調零放大電路N1——主放N2——誤差保持N3——時鐘發(fā)生器（方波發(fā)生器）N4——N3的反相器Sa1、Sa2、Sb1、Sb2——模擬開關N3驅動Sa1、Sa2，高電平導通，Sa1、Sa2導通時，Sb1、Sb2斷開六、低漂移放大電路（穩(wěn)零放大電路）為了減少失調減小低頻干擾常采用斬波穩(wěn)零放大電路自動調零放大電路.Sa1、Sa2導通時，Sb1、Sb2斷開時，失調調零狀態(tài)，把失調電壓記錄下來前半周：N1輸入接入，只存在輸入失調電壓Uos1N1輸出為Uo1N2放大C1保持N2也存在失調電壓Uos2∴Uc1≈Uos1C1寄存了N1的輸入失調電壓b)誤差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2后半周：N3輸出低電平，Sa1、Sa2斷開，Sb1、Sb2斷合，電路進入信號放大狀態(tài)。接通Ui，Ui反相放大+輸入失調放大+C1的寄存電壓∴Uo≈－(R2/R1)Ui實現自動調零優(yōu)點：1、輸出電壓穩(wěn)定，波動小。

2、失調和低頻干擾小

3、成本低適用于毫伏級的低電平放大。UoC1UiR1R2K1-++N1c)調零放大輸出2.低漂移集成運算放大器輪換自動校零集成運算放大器CAZ運算放大器斬波穩(wěn)零集成運算放大器

ICL7650高增益、失調電壓影響小，高共模抑制比和高輸入電阻（1011Ω），輸入失調電壓±(1～5）uV，普通運放±(2～6）mV。七、高輸入阻抗放大電路電容式、壓電式傳感器的輸出阻抗很高。108Ω以上雖然開環(huán)運放具備高阻抗，但是閉環(huán)以后，例如反相放大器的輸入阻抗<<同相放大器?？稍谳斎攵思与妷焊S器，但引入了跟隨器的共模誤差。解決方法高輸入阻抗集成運放通用運放組成的自舉電路1.高輸入阻抗集成運算放大器輸入級類型輸入阻抗

芯片代表MOS—FET 1.5×106MΩ CA3140、CA3260FET 106MΩLF356/A、LF412CMOS—FET 106MΩ ICL7613、ICL7641B/C2.自舉式高輸入阻抗放大電路R3uoR1R2C2C1∞-++uia)同相交流放大電路uouiR1R2C2C1R3∞-++b）交流電壓跟隨電路uouii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N2c)自舉組合電路總結：①自舉電路：是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減少向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。②是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？八、電荷放大電路壓電式傳感器電容式傳感器將壓力、位移等電荷信號電荷放大電路基本原理：uoCQ運算放大器N的反相端與傳感器相連，N的輸出經電容C反饋致其輸入端。若N為理想工作狀態(tài)，則反相輸入端為虛“地”，直流輸入阻抗很高，傳感器的輸出電荷只對反饋電容C充電，電容C兩端的電壓為Q/C，則電荷放大電路的輸出是：所以，電荷放大電路的輸出電壓與輸入電荷量成正比，與反饋電容成反比，而與電路其他參數無關。九、電流放大電路基本原理：運算放大器N的正相端接地，N的輸出端經電阻分壓反饋至反相端。若N為理想工作狀態(tài)，則反相輸入端為虛地，所以Ui=0。由于虛斷，N的兩個輸入端電流為0，所以，輸入電流信號全部流經電阻R1，經分析可得電流放大倍數：所以，電流放大電路的輸出電流與輸入電流成正比，放大倍數與電阻R1、R2有關，而與電路其他參數無關。光電傳感器等將光強信號等電流信號電流放大電路參考課本圖2-28及2-29十、電橋放大電路何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。電感式電阻應變式電容式傳感器通過電橋轉換電路輸出電壓/電流信號如果Z1=Z2=Z4=R，Z3=R(1+δ），δ為傳感器電阻的相對變化率非線性在δ<<1時，此時，輸出電壓與電橋電阻R無關，靈敏度不受R影響.此外，該電橋電路中電源U需要浮置。Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相輸入單端輸入電橋放大電路注意：1.非線性仍存在。2.電橋四個橋臂的電阻同時變化時，電壓放大倍數不是常量。3.橋臂電阻R和R1的溫度系數不一致時，增益不穩(wěn)定，存在溫漂。差動輸入電橋放大電路參考課本圖2-31uoR3R2

=R（1+δ）R1uuaR1ub∞-++NC)線性電橋放大電路若R2=R(1+δ)，R3=R時，注意：uo與δ成正比，即該電路為線性，但是缺點是靈敏度與橋臂電阻R有關，量程較大，靈敏度較低。但a，b之間有很大的共模電壓，所以所選運放共模電壓要小，失調也要小線性電橋放大電路十一、增益調整放大電路整調放大倍數手動自動程控1.手動增益調整電路－+ui1ui2u1u2uo左圖為匹配電阻構成的差動放大電路，RP用來調節(jié)增益可見，只要改變RP可改變放大倍數，但RP與增益之間是非線性的，因此調整范圍小于10%，所以也叫小范圍增益調整電路。大范圍增益調整電路，在三運放電路中已經介紹過。注意這里是手動調節(jié)RP的值，不是自動的。2.自動增益調整電路電路增益自動在最大、最小之間變換。改變反饋電阻改變輸入回路衰減電阻圖2-35a）改變反饋電阻的方法，反相放大的一個例子+uiR3控制信號a）改變反饋電阻當ui很小時，控制信號為零電平，V飽和導通，電路增益最大。當ui很大時，控制信號為負電平，V截止，電路增益最小。uoRxuiR1R2∞-++NR4U2同理，R1和結構場效應管并聯，我們把場效應管看成一個電阻Rx。導通時，Rx=0；截止時，Rx=∞。當ui很小時，控制信號為低電平，V1、V2導通，電路增益最大。當ui很大時，控制信號為高電平，V1、V2截止，電路增益最小。uiuoN+V1V26VR3R2R1控制信號b）改變輸入回路衰減電阻3.可編程增益放大電路分類單運放多運放測量放大器可編程放大電路單片集成可編程增益放大電路①通用運放可編程增益放大電路多路模擬開關+通用運放uia）單運放式4個二極管的作用：提高開關斷開時的抗干擾性能，消除噪聲和其他高阻效應。斷開時，uo使二極管正向偏置，源級箝位到0.6V，保證開關不接通。當然，因為開關分布電容形成尖峰，只適用低增益、低精度場合。增益公式？ui模擬開關b）多運放并聯式運放多，成本高，調試難，每個運放都要調失調。uiuo模擬開關c）多運放串聯式但是也存在成本高，調試難的缺點。集成測量放大器可選擇增益大小∴外接模擬開關+反饋電阻的方式uiuoa）改變并聯輸入電阻uiuo模擬開關b）改變并聯反饋電阻uiuo++c）任意正整數增益框圖②數字式可編程增益放大電路③集成可編程增益放大電路LH0084LH0086增益公式可參考三運放高共模抑制比放大電路什么是隔離放大電路？

隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共接地端的特殊測量放大電路。應用于何種場合？高噪聲、高干擾情況下的測控系統對安全有要求的場合：核電站、高壓電生物醫(yī)學測量：確保人體不受傷害第四節(jié)、

隔離放大電路方式：光電耦合無線電波耦合超聲波耦合電磁耦合（變壓器）√前景好，帶寬√成熟，帶窄一、基本原理組成輸入放大器輸出放大器隔離器（變壓器或光電耦合）隔離電源——電源是浮置的注意：這里的輸入與輸出的地是不一樣的?；窘M成符號問題：普通運放雖然也能抑制共模干擾，為何有些場合必須用隔離放大器呢？原理框圖a)變壓器耦合浮置電源輸入調制放大器耦合變壓器輸出解調放大器輸出輸入－＋被測信號調幅波耦合放大輸出解調輸入放大器的電源如何產生：幾十KHZ的高頻振蕩，經變壓器饋入輸入電路，再整流、濾波，提供隔離供電。同時這個高頻信號提供調制解調的載波信號?！嘧儔浩鞣浅ｊP鍵（變壓器的匝數、體積和分布電容）b)光電耦合浮置電源光耦合器輸入放大器－＋輸出放大器輸出輸入LEDV被測信號LED(光信號）耦合放大輸出光敏二極管轉成電信號二.通用隔離放大器1、AD277變壓器耦合隔離放大器隔離電源振蕩器調制器輸入屏蔽解調器輸出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1MΩ141115＋U∞-++N1∞-++N2如圖：上面部分自左至右為信號傳輸通路

下面部分自右至