02信號(hào)放大電路

2025/1/52.信號(hào)放大電路2.信號(hào)放大電路何謂測(cè)量放大電路？

在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的放大電路稱為測(cè)量放大電路。測(cè)量放大電路是測(cè)控電路的基本組成部分，本章討論以精為主線，將靈放在重要位置，同時(shí)考慮快與可靠?；疽螅孩俚驮肼暎虎诘偷妮斎胧д{(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；③高共模輸入范圍和高共模抑制比；④一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；⑤線性好；⑥輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；⑦足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率。以上要求都是圍繞“精”提出來的，同時(shí)考慮快。2.信號(hào)放大電路R2ui+∞-+NR1R3

從靈和安全可靠出發(fā)，還需要：①可調(diào)閉環(huán)增益放大電路；②參量放大電路；③電荷放大電路；④隔離放大電路。也有利于提高精度。還需要考慮低成本。2.信號(hào)放大電路2025/1/52.信號(hào)放大電路

測(cè)量放大電路的主要誤差源

高共模抑制比放大電路高輸入阻抗放大電路

低漂移放大電路

電橋放大電路2025/1/52.信號(hào)放大電路

隔離放大電路

電荷放大電路

增益可控放大電路2025/1/52.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源

2.1運(yùn)算放大器件的主要誤差源序號(hào)參數(shù)名稱理想值實(shí)際值

1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3輸入阻抗∞100kΩ～數(shù)兆歐4輸出阻抗010Ω～數(shù)百歐5帶寬0～∞0～10Hz（或0～10kHz）6動(dòng)態(tài)范圍0～供電電壓有限部分7輸入失調(diào)電壓0納伏至毫伏8輸入失調(diào)電流0皮安至微安9噪聲0納伏至微伏+∞-+N幾個(gè)重要術(shù)語開環(huán)增益A：指運(yùn)算放大器的外部沒有連接反饋電路時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓的比值。

閉環(huán)增益Af：指運(yùn)算放大器的外部連接反饋電路時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓的比值。差模增益Ad：指運(yùn)算放大器的差模輸出電壓與差模輸入電壓的比值。共模增益Ac：指運(yùn)算放大器的共模輸出電壓與共模輸入電壓的比值。輸入失調(diào)電壓u0s：指運(yùn)算放大器輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。

輸入失調(diào)電流I0s:集成運(yùn)算放大器輸出電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值。

零點(diǎn)漂移:輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化。共模抑制比CMRR:指放大器開環(huán)差模放大倍數(shù)AOd與共模放大倍數(shù)AOC之比。CMRR

=差模增益Ad/共模增益Ac。一般用對(duì)數(shù)來表示，單位是dB，是一個(gè)反映放大器對(duì)共模信號(hào)抑制能力的參數(shù)，KCMR越大越好。對(duì)于理想運(yùn)算放大器，KCMR=

。2.1

測(cè)量放大電路的主要誤差源

2.信號(hào)放大電路采用負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)放大器可以擴(kuò)大帶寬和線性范圍。最主要的誤差因素是噪聲與失調(diào)漂移。固定的失調(diào)可以通過調(diào)整來解決。2025/1/52.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源式中k——

玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T——

導(dǎo)體的絕對(duì)溫度（K）；B——

測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)；R——

導(dǎo)體阻抗的實(shí)部(Ω)。

噪聲噪聲就是干擾有用信號(hào)的某種不希望的擾動(dòng)。通常，把外部來的稱為干擾，把內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。熱噪聲由導(dǎo)體中的電荷載流子的熱激振動(dòng)引起的噪聲2.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源低頻噪聲與晶體管表面的狀態(tài)以及PN結(jié)的漏電流有關(guān)的噪聲式中k1

——

與材料有關(guān)的常量，其量綱與a、b有關(guān)；I

——

工作電流(A)；a、b

——

由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，對(duì)各種半導(dǎo)體，b=0.8~1.5，a通常為1；

f

——

工作頻率(Hz)。

散彈噪聲

流過二極管、三極管位壘層的載流子不是連續(xù)的，而是脈沖性質(zhì)的，電流的方均值或方均根值不為零

式中q

——

電子電荷，為1.59×10-19C；

IDC

——

直流電流(A)；

B

——

測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬(Hz)。2.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源減小噪聲影響的主要措施（1）采用噪聲小的器件；（2）采用信號(hào)調(diào)制解調(diào)與濾波，限制通頻帶；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比電路。2.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源減小漂移影響的主要措施（1）采用低漂移放大電路；（2）合理設(shè)計(jì)偏置電路；（R3=R1//R2

）（3）采用信號(hào)調(diào)制解調(diào)。uoR2ui+∞-+NR1R32.信號(hào)放大電路2.1測(cè)量放大電路的主要誤差源在許多情況下需要測(cè)量的參數(shù)是差值形狀誤差、位置誤差、差壓、溫差 有許多參數(shù)表面上看不是差值，實(shí)際還是差值在多數(shù)情況下外界干擾主要是共模干擾在集成電路制造中，比較容易保證的是參數(shù)的一致性2.信號(hào)放大電路2.2高共模抑制比放大電路精2.1、基本放大電路反相放大電路與同相放大電路2.信號(hào)放大電路ui+∞+-NuoR1R2R3uoui+∞-+NR1R2R3反相放大電路同相放大電路（一）反相放大器閉環(huán)電壓增益：Kf=uo/ui=–R2/R1輸入電阻：Ri=R1輸出電阻：Ro=0平衡電阻：R3=R1//R2主要缺點(diǎn)：輸入電阻低。uoR3uiR1R2∞-++N1提高輸入電阻的方法：1、采用T型網(wǎng)絡(luò)電阻代替Rfuo=u-I2Rf2=-I1Rf1-(I1-I3)Rf2=-(Rf1+Rf2+Rf1Rf2/Rf3)ui/R1閉環(huán)增益:Kf=uo/ui=–(Rf1+Rf2+Rf1Rf2/Rf3)/R1反饋電阻:Rf=(Rf1+Rf2+Rf1Rf2/Rf3)只要使Rf1Rf2/Rf3很大，Rf就可以很大。例：Rf1=Rf2=100KΩ，Rf3=1KΩ，Kf=-100，Ri=R1=100KΩ。T型網(wǎng)絡(luò)電阻反相放大器（二）同相放大器閉環(huán)增益：Kf=uo/ui=1+R2/R1輸入阻抗：Zi=Kzin/(1+R2/R1)+R3→∞輸出電阻：Ro=0平衡電阻：R3=R1//R2優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗大缺點(diǎn)：共模輸入電壓大。uoR3uiR1R2∞-++N12025/1/52.2、基本差動(dòng)放大電路2.信號(hào)放大電路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時(shí)電路的輸出uo1

ui2作用時(shí)電路的輸出uo2

獨(dú)立作用原理2.信號(hào)放大電路一、基本差動(dòng)放大電路取R2//R1=R4//R3

具有共模抑制能力。

2.2高共模抑制比放大電路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R32.信號(hào)放大電路一、基本差動(dòng)放大電路實(shí)際上不可能完全做到R2//R1=R4//R3

2.2高共模抑制比放大電路2.信號(hào)放大電路一、基本差動(dòng)放大電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。2.2高共模抑制比放大電路反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2當(dāng)R2/R1=R4/R5，ui1=ui2時(shí)，uo=0通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N22.3高共模抑制比放大電路2.信號(hào)放大電路二、同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特色：1.同相輸入、高輸入阻抗；2.對(duì)于N2仍然是差動(dòng)放大電路2.3高共模抑制比放大電路基爾霍夫定理2.信號(hào)放大電路二、同相串聯(lián)高共模抑制比放大電路取2.3高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1增益與共模抑制比牽連2.信號(hào)放大電路三、三運(yùn)放高共模抑制比放大電路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.3高共模抑制比放大電路RP調(diào)整兩臂平衡2.信號(hào)放大電路電路特點(diǎn)：輸入阻抗高；增益調(diào)整方便；對(duì)于理想運(yùn)放，共模抑制比趨向無限大。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2三、三運(yùn)放高共模抑制比放大電路2.3高共模抑制比放大電路2.信號(hào)放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.3高共模抑制比放大電路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1在信號(hào)傳輸中常采用屏蔽電纜當(dāng)傳感器與測(cè)量放大電路間有一定距離時(shí)，常用屏蔽電纜連接，屏蔽層一般接地。電纜輸入芯線與其屏蔽層之間的電容C1和C2

，以及傳感器和傳輸電纜內(nèi)阻RS1和RS2將在放大器輸入端形成兩個(gè)積分電路。共模輸入信號(hào)uic

在RS1、RS2上產(chǎn)生jωRS1C1uic、jωRS2C2uic的壓降

2.信號(hào)放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路差動(dòng)放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.3高共模抑制比放大電路引起輸出端差模電壓2.信號(hào)放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路對(duì)于原來的電路2.3高共模抑制比放大電路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1引入有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，屏蔽電纜芯線與屏蔽層共模電壓為零，消除了屏蔽電纜電容的影響。2.信號(hào)放大電路四、帶有源屏蔽的共模抑制比放大電路2.3高共模抑制比放大電路∞+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo（1）差動(dòng)放大器件特性不一致共模電壓產(chǎn)生差動(dòng)電壓引起共模抑制比變化2.信號(hào)放大電路五、運(yùn)放器件偏離理想特性的影響2.3高共模抑制比放大電路R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2（2）差動(dòng)放大器特性不理想共模增益同時(shí)受阻抗不匹配和運(yùn)算放大器N3的有限共模抑制比影響，由阻抗不匹配引起附加共模增益運(yùn)算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信號(hào)放大電路五、運(yùn)放器件偏離理想特性的影響2.3高共模抑制比放大電路2.信號(hào)放大電路五、運(yùn)放器件偏離理想特性的影響（2）差動(dòng)放大器特性不理想總附加共模增益比總共模抑制比2.3高共模抑制比放大電路2.信號(hào)放大電路2.4電橋放大電路P應(yīng)變片測(cè)量力uuo靈2.信號(hào)放大電路2.4電橋放大電路uuousucx線圈測(cè)桿工件銜鐵2025/1/5何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路，或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。應(yīng)用于何種場(chǎng)合？應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號(hào)，并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步放大，或由傳感器和運(yùn)算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號(hào)。

2.4電橋放大電路2.信號(hào)放大電路2025/1/5（一）反相輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na點(diǎn)為虛地，故uo反饋到R1兩端的電壓定是-uab2.4電橋放大電路2.信號(hào)放大電路Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

2.信號(hào)放大電路R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu2.5電橋放大電路（二）同相輸入電橋放大電路2025/1/5（三）差動(dòng)輸入電橋放大電路2.5電橋放大電路R1=R2>>R

ua=ub

2.信號(hào)放大電路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR2025/1/5（四）線性電橋放大電路2.4電橋放大電路2.信號(hào)放大電路uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=ub

當(dāng)R3=R時(shí)量程較大，但靈敏度較低某些傳感器輸出的信號(hào)電壓常在在微伏級(jí)，且為直流緩變信號(hào)，漂移是一個(gè)關(guān)鍵難題。常用措施包括(1)盡早調(diào)制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信號(hào)放大電路。許多情況下難以在傳感器內(nèi)直接調(diào)制，減小測(cè)量放大電路的電壓漂移，實(shí)現(xiàn)低漂移信號(hào)放大至關(guān)重要。集成電路中放大器通過模擬開關(guān)切換輪換工作，半個(gè)周期測(cè)量保存、失調(diào)電壓，另半個(gè)周期放大輸出，對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。

2.5低漂移放大電路2.信號(hào)放大電路精2.信號(hào)放大電路2.5低漂移放大電路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4時(shí)鐘2.信號(hào)放大電路2.5低漂移放大電路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4高低2.信號(hào)放大電路2.5低漂移放大電路b)誤差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s22.信號(hào)放大電路2.5低漂移放大電路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4時(shí)鐘高低2.信號(hào)放大電路2.5低漂移放大電路c)調(diào)零放大輸出UoC1UiR1R2K1-++N1U0s12.信號(hào)放大電路2.5高輸入阻抗放大電路問題提出：電路的接入不應(yīng)該影響原系統(tǒng)工作狀態(tài)有些傳感器（如電容式、壓電式）的輸出阻抗很高，可達(dá)108Ω以上，這就要求其測(cè)量放大電路具有很高的輸入阻抗，不至于因?yàn)榉糯箅娐返慕尤胧箓鞲衅鬏敵鲂盘?hào)大幅度下降。開環(huán)集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗通常都很高，但反相運(yùn)算放大電路等，其輸入阻抗遠(yuǎn)低于同相運(yùn)算放大電路。R2ui+∞-+NR1R3精2.信號(hào)放大電路2.5高輸入阻抗放大電路uoui+∞+-NR1R2R3+∞+-NuiuoR1R2b)

跟隨電路a)

同相放大電路采用同相輸入具有很高輸入阻抗2025/1/52.信號(hào)放大電路uo+∞+-NuiR1R2R3R4C12.5高輸入阻抗放大電路對(duì)于交流放大器需要為電容提供放電通道，它使輸入阻抗大幅度下降交流放大電路2025/1/5c)自舉式高輸入阻抗放大電路uoR1R2C2C1R3∞-++ui自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。2.信號(hào)放大電路2.5高輸入阻抗放大電路2025/1/5d)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3∞-++2.信號(hào)放大電路2.5高輸入阻抗放大電路2025/1/5e)電流補(bǔ)償型電路輸入電阻為Ri=(R1R2)/(R2-R1)當(dāng)R2=R1時(shí)，Ri→∞，i2=i1

uo1uii1i2R1iuo22R1R3R2∞-++N1∞-++R3N22.信號(hào)放大電路2.5高輸入阻抗放大電路電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系的測(cè)量放大電路。例如，壓電式傳感器或電容式傳感器可將某些被測(cè)量（如力、壓力等）轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)輸出，再通過電荷放大電路輸出放大了的電壓信號(hào)。因此，電荷放大電路亦稱為電荷-電壓變換電路。2.信號(hào)放大電路2.6電荷放大電路

靈2.信號(hào)放大電路2.6電荷放大電路

QCRRiCiCcRsCs∞-++Nuob)實(shí)際等效電路圖QCuo∞-++Na)基本原理圖Cs—傳感器等效電容，Rs—傳感器泄漏電阻，Cc

—電纜電容，Ri—運(yùn)算放大器的輸入電阻，Ci

—運(yùn)算放大器的輸入電容。R

—電荷泄放電阻。2.信號(hào)放大電路2.6電荷放大電路

把C、R等效到N的輸入端時(shí)，等效電阻R/(1+K)，等效電容C′=C(1+K)，K足夠大

2.信號(hào)放大電路2.6電荷放大電路

足夠大,相對(duì)運(yùn)算誤差頻率特性,下限截止頻率高頻特性由運(yùn)放器件特性決定

增益可控放大電路可以根據(jù)被測(cè)量值自動(dòng)調(diào)整增益，以適應(yīng)測(cè)量不同范圍量值需要，使用靈活，有利于提高測(cè)量精度。(1)改變反饋電阻的自動(dòng)增益調(diào)整電路

Rx=R3+r

V飽和導(dǎo)通，r很小，電路增益最大;

V截止，r→∞，電路增益最小。

2.信號(hào)放大電路2.7增益可控放大電路

uoR2R4R1ui控制信號(hào)R3∞-++NV靈(2)可編程增益放大電路

根據(jù)需要將R3~R6與

R2并聯(lián)，使增益減小。2.信號(hào)放大電路2.7增益可控放大電路

增益A

B

C

D10011115001111010112110111110UoUi1MΩ110kΩ20.4kΩ10.1kΩABCDR21MΩR110kΩ10kΩ∞-++NR3R4R5R62、數(shù)字式可編程增益放大電路數(shù)字式可編程增益放大電路（3）LH0084集成可編程增益差動(dòng)放大器

2.信號(hào)放大電路2.7增益可控放大電路

譯碼器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路Ui1R6Sa110kΩU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kΩR22kΩR14kΩR32kΩR56kΩR710kΩR910kΩR1330kΩR1560kΩR1460kΩR810kΩR1230kΩR1010kΩR1110kΩD0D1數(shù)字地8×107×46×110Uo131612151114∞+-+N1∞-++N3########U23Ui2∞-++N2（3）LH0084集成可編程增益差動(dòng)放大器

改變R0、R1、R2改變差動(dòng)級(jí)增益。改變R5、R6改變末級(jí)增益。2.信號(hào)放大電路2.7增益可控放大電路

ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.信號(hào)放大電路2.7增益可控放大電路

LH0084的數(shù)字輸入、輸出端子連接和放大倍數(shù)表數(shù)字輸入D1D0閉合開關(guān)差動(dòng)級(jí)放大倍數(shù)（U2-U1）/（U

i2-Ui1）連接端子輸出級(jí)放大倍數(shù)Uo/（U2-U1）總放大倍數(shù)Uo/（U

i2-U

i1）00011011Sa1、Sb1Sa2、Sb2Sa3、Sb3Sa4、Sb4125106與10、13與地11251000