《傳感器與信號調(diào)理技術》課件第7章

第7章信號放大技術7.1基本放大電路7.2測量放大器7.3可編程增益放大器7.4低漂移放大器7.5隔離放大器7.6電荷放大器

7.1基本放大電路

7.1.1運算放大器及其特性

運算放大器(簡稱運放)的特性可用輸入特性、傳輸特性、輸出特性來描述，如圖7-1所示。圖7-1運算放大器特性運算放大器未加反饋時稱為開環(huán)，引入反饋后稱為閉環(huán)。實際放大電路絕大部分處于負反饋的工作狀態(tài)下，利用運放的高增益加上深度負反饋來改善其本身或與之相關電路的特性。運算放大器引入反饋后的放大電路結(jié)構如圖7-2所示。圖7-2放大電路結(jié)構放大電路的特性可用運算放大器A的內(nèi)、外兩部分的關系來描述。對于運算放大器A內(nèi)部，有

(7-1)式中，uid為運算放大器的差模輸入電壓。對于運算放大器的外部，有

(7-2)

式中，Auf為放大電路閉環(huán)增益。放大電路是將輸入ui

通過外

部電路轉(zhuǎn)換為對應的uid，再通過運算放大器內(nèi)部，將uid放大到相應的輸出uo。理想運放引入負反饋之后，其傳輸特性取決于外部反饋元件及其運放之間的組合形式，以圖7-3所示的組態(tài)為例，其輸入、輸出關系為

(7-3)圖7-3反相放大器7.1.2

T型放大器

T型放大器的結(jié)構如圖7-4所示，圖7-4(a)為一般形式，因反饋支路為T形網(wǎng)絡而得名，如圖7-4(b)所示。在圖7-4(b)中，可計算uT為

則T型放大器的閉環(huán)增益為

(7-4)圖7-4

T型放大器

例1-1在圖7-4所示的放大電路中，R1=100kΩ，Auf=

－100，試確定其他各電阻的取值。

解若選擇R2=200kΩ、R5=1kΩ，由式(7-4)計算可得

R4=48.8kΩ。

可見，由R2、R4、R5組成的T形反饋網(wǎng)絡其作用與10MΩ的電阻是一樣的，但R2、R4、R5的實際值卻比10MΩ小了一個多數(shù)量級，使放大器的性能得到了改善，因此這種放大電路常用在需要較高增益的測量系統(tǒng)中。7.1.3電橋放大器

轉(zhuǎn)換電路可以是半橋形式，也可以是全橋形式。為了提高放大器的共模抑制能力，降低失調(diào)電壓及失調(diào)電流對測量結(jié)果的影響，放大器采用差動輸入方式，轉(zhuǎn)換電路也采用全橋形式。一般的電橋放大器的結(jié)構如圖7-5所示。圖7-5電橋放大器在圖7-5(a)中，Rx為傳感器，Rx=R(1+ε)，ε為傳感器電阻的相對變化，ε=ΔR/R。若認為放大器是理想的，利用電壓疊加原理可得放大器正、負輸入端的電壓分別為利用u+=u－可得

一般ε<<1，所以

(7-5)

由此可見，輸出電壓正比于ε的大小。對于圖7-5(b)所示的電路，若忽略放大電路對電橋的影響，則

將Rx=R(1+ε)代入上式后得

一般ε<<1，所以

(7-6)若放大器是理想的，利用電壓疊加原理可得放大器正、負輸入端的電壓為

利用u+=u－及uAB=uA－uB，可得

(7-7)將式(7-6)代入式(7-7)，uo輸出為

(7-8)

為了得到較高的放大增益及其良好的輸入輸出線性關系，可采用圖7-6所示的反饋式電橋放大電路。圖7-6反饋式電橋放大電路在圖7-6中，運放A2接成跟隨形式，A1的輸出通過電位器

RP將部分輸出電壓buo(b<1)反饋到電橋電路。由(E－uD)/R2

=(uD－buo)/R2及uC=uD得

(7-9)

則

(7-10)聯(lián)立式(7-7)、(7-9)、(7-10)得

式中，Auf=Rf/R1。調(diào)節(jié)RP，使得Aufβ=4，則

(7-11)

7.1.4高輸入阻抗放大電路

1.高輸入阻抗集成運算放大器

采用MOSFET作為輸入級的集成運算放大器，如CA3140、CA3260等，它們的輸入阻抗可高達1.5×106MΩ；采用FET作為輸入級的，如LF356/A、LF412、LF444和LM310等集成運算放大器的輸入阻抗為106MΩ，與采用MOSFET作為輸入級的集成運算放大器相比，其性能穩(wěn)定且不易損壞。

2.自舉式高輸入阻抗放大電路

常用的自舉式高輸入阻抗放大電路如圖7-7所示。圖7-7自舉式高輸入阻抗放大電路圖7-7(a)電路的輸入阻抗為

(7-12)圖7-7(b)是由兩個通用集成運算放大器A1、A2構成的自舉組合電路。設A1、A2為理想運算放大器，由電路可得輸入電阻為

(7-13)

7.2測量放大器

7.2.1測量放大器的工作原理

圖7-8為測量放大器的基本結(jié)構。圖7-8測量放大器的基本結(jié)構若認為A1、A2為理想運算放大器，其輸出分別為uo1、

uo2，則有

因為ui1－ui2=ui，所以

(7-14)若認為A3為理想運算放大器，則

(7-15)為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，應根據(jù)上下對稱的原則選擇電阻，通常取R3=R4、R5=R6=RF，則式(7-15)可改寫為

(7-16)

將式(7-14)代入式(7-16)，并取R1=R2后得

(7-17)則測量放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為

(7-18)

由式(7-17)和式(7-18)可以看出，改變增益電阻RG的大小，可方便地調(diào)節(jié)放大器的增益。7.2.2共模抑制比

測量放大器輸入級電路的共模抑制比主要由運放A1、A2本身的共模抑制比決定。如果不考慮輸入級外部電阻不匹配引起的共模誤差，根據(jù)共模抑制比的定義，可求出輸入級的共模抑制比為

(7-19)輸出級電路的共模抑制比主要是由A3外部電阻的不匹配引起的。設運放A3本身的共模抑制比為CMRR3，當A3外部的電阻不匹配時，會給輸出級帶來附加的共模誤差。設電阻

R3、R4、R5和R6偏差均為±d，考慮最嚴重的情況，即R3=R30(1+d)、R4=R40(1－d)、R5=R50(1－d)、R6=R60(1+d)，

且R30=R40、R50=R60，可得輸出級的共模增益為式中，Kd3為輸出級的差模增益，Kd3=R50/R30。因此，因外部電阻不匹配造成的共模抑制比CMRRR為

輸出級的共模抑制比為

(7-20)

可見，外部電阻的不匹配將使輸出級的共模抑制比由CMRR3下降為CMRR2。圖7-8所示電路總的共模抑制比為

(7-21)7.2.3測量放大器應用舉例

“脈診”是中醫(yī)取得病人生理和病理信息的一種重要手段，是診斷疾病的重要依據(jù)。利用脈搏壓力傳感器和放大器，將脈搏信號提取出來，給醫(yī)生進一步的診斷疾病提供了很大的方便。脈搏是壓力波和容積波的結(jié)合，利用高靈敏度的壓力傳感器和放大器，可以不失真地檢測出脈搏信號。一般的壓力傳感器是一個半導體集成電路，放大器電路用測量放大器最為合適。圖7-9人體脈搏信號測量電路

7.3可編程增益放大器

可編程增益放大器的結(jié)構形式多種多樣，按采用的放大器個數(shù)可分為單運放、多運放可編程增益放大電路和單片集成可編程增益放大器。按輸出信號可分為模擬式和數(shù)字式可編程增益放大器。

單運放和多運放可編程增益放大器如圖7-10所示。圖7-10通用運放可編程增益放大電路圖7-10(a)中，通過控制開關的通斷來改變放大器的并聯(lián)輸入電阻，從而實現(xiàn)增益控制。數(shù)字控制信號A、B、C、D控制4個模擬開關，可實現(xiàn)0～15中任意正整數(shù)增益值。其閉環(huán)放大倍數(shù)的計算式為

(7-22)

7.4低漂移放大器

7.4.1斬波穩(wěn)零低漂移放大電路

斬波穩(wěn)零低漂移放大電路又稱為調(diào)制式放大電路。它是利用同步調(diào)制—解調(diào)，并由隔直電容隔離失調(diào)和干擾電壓來實現(xiàn)自動穩(wěn)零的，其原理框圖如圖7-11所示。圖7-11斬波穩(wěn)零低漂移放大電路原理框圖典型的斬波穩(wěn)零低漂移放大器原理電路如圖7-12(a)所示，該電路各點的電壓波形如圖7-12(b)所示。圖7-12典型斬波穩(wěn)零放大電路低通濾波器的輸出電壓為U5=－K2UiT1/(T1+T2)。對于輸入信號Ui來說，C3是開路的，設A1的開環(huán)放大倍數(shù)為K1，則輸出信號為

(7-23)下面分析運算放大器A1的輸入失調(diào)電壓U0s對輸出的影

響ΔU0。考慮U0s影響時，設Ui=0，電容C3開路，將U0s等效

在A1的負向輸入端，即U－=U0s；對于ΔU0，對應A1的正向

輸入端電壓為U+=－K2UA；再利用UA=ΔU0R/(R+R4)及ΔU0=K1(U+－U－)，則

(7-24)

可見，U0s對輸出的影響大大減小了。7.4.2自動穩(wěn)零放大電路

第一階段，當時鐘發(fā)生器A3輸出高電平、A4輸出低電平時，模擬開關S11、S12接通，S21、S22斷開，電路處于失調(diào)電壓保持狀態(tài)，其保持等效電路如圖7-13(b)所示。此時A1輸入端無輸入信號，只存在失調(diào)電壓U0s1，其輸出為U01，再經(jīng)A2放大后由電容C1保持，考慮到A2的失調(diào)電壓U0s2，電容C1寄存的電壓為UC1=－(U01+U0s2)K2,其中，U01=(－U0s1+UC1)K1,所以式中，K1、K2分別為集成運算放大器A1、A2的開環(huán)放大倍數(shù)。由于K1>>1及K1K2L>>1，所以

(7-25)

從式(7-25)可以看出，電容C1寄存了運算放大器A1的失調(diào)電壓U0s1。第二階段，當時鐘發(fā)生器A3輸出低電平、A4輸出高電平時，模擬開關S11、S12斷開，S21、S22接通，電路進入信號放大狀態(tài)，其等效電路如圖7-13(c)所示。此時，Ui經(jīng)A1放大后，輸出為

(7-26)圖7-13自動穩(wěn)零放大電路7.4.3低漂移集成放大器

根據(jù)電容C1、C2的電壓存儲效應，輸出電壓為

(7-27)

ICL7650外部管腳功能如圖7-14(b)所示。14腳為時鐘控制，當13腳外接時鐘時，14腳接－E，當用內(nèi)部時鐘時，14腳接+E；C1、C2為外接記憶電容，一般為0.1μF，并隨時鐘

頻率增大而減小；使用時9腳與4腳相連，這樣，當輸出達到+E或－E時，箝位工作。圖7-14自動穩(wěn)零集成運算放大器ICL7650

ICL7650作為一個放大器件，既可以單端輸入工作，也可以差動輸入工作。圖7-15所示是利用ICL7650作為反相放大器的應用電路，其輸出電壓為

(7-28)

ICL7650集成運算放大器的輸入阻抗高(可達1011Ω)、失調(diào)電壓小(U0s=5μV)、共模抑制比高(CMRR=120dB)，電源電壓的典型值為±6V，最高為±7.5V。圖7-15

ICL7650反相放大電路7.5隔離放大器

7.5.1隔離放大器的基本原理

隔離(采用變壓器或光電耦合)電阻Ris0約1012Ω，隔離電容的典型值為20pF，實現(xiàn)了輸入與輸出的隔離，消除了通過公共地線的干擾，從而極大地提高了電路的共模抑制比。輸出電壓uo可表示為

(7-29)圖7-16隔離放大電路基本組成及符號隔離放大電路的原理框圖如圖7-17所示。圖7-17(a)為變壓器耦合的隔離放大電路框圖，被測輸入信號經(jīng)放大、調(diào)制變成調(diào)幅波，由變壓器耦合，再經(jīng)解調(diào)、濾波和放大后輸出。圖7-17(b)是光電耦合隔離放大電路框圖，它將被測輸入信號放大(也可載波調(diào)制)，并由耦合器中的發(fā)光二極管LED轉(zhuǎn)換成光信號，再通過光耦合器中的光電器件(如光電二極管、三極管等)變成電壓或電流信號，最后由輸出放大器放大輸出。圖7-17隔離放大電路原理框圖7.5.2通用隔離放大電路

1.AD277變壓器耦合隔離放大器

AD277是美國AD公司的一種通用隔離放大器(國產(chǎn)284J、289與它類似)，其結(jié)構如圖7-18(a)所示，它的前、后級各由高性能運算放大器A1、A2構成，前級由浮置電源供電，該浮置電壓(±15V)還為傳感器和其他組件供電用。圖7-18

AD277內(nèi)部結(jié)構及斬波穩(wěn)零隔離放大電路

2.互補式光電耦合隔離放大電路

圖7-19所示為互補式光電耦合隔離放大器原理電路圖。

運算放大器A1組成輸入放大器，A2組成輸出放大器，VLC1和VLC2是特性完全對稱的光耦合器。VLC2用作輸入放大器和輸出放大器之間信號的隔離傳送;VLC1為A1提供非線性反饋，用于彌補VLC2的非線性。圖7-19互補式光電耦合隔離放大電路如果A1、A2處于理想工作狀態(tài)，i1=i2，并取R2=R3，由電路可得i1=10/R2+ui/R1,i2=10/R3+uo/(R5+RP)，所以

(7-30)

7.6電荷放大器

有些傳感器如CCD、壓電傳感器等，其輸出電信號為電