测控电路第二章信号放大电路.ppt
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1、中国计量学院 朱维斌,Contents,中国计量学院 朱维斌,2.1 运算放大器的误差及其补偿,一、实际运算放大器及其特性,中国计量学院 朱维斌,二、失调及其补偿,输入失调电压:集成运算放大器输出直流电压为零时,所加的补偿电压。 常用代号Uos (mV数量级) 输出失调电压: Ui=0,输出不为0时输出端的电压,补偿,a. 外接失调补偿网络,b. 运放常有失调调零端,RP,接入反相端,RP,接入同相端,中国计量学院 朱维斌,Op07集成运算放大器,1、8脚之间就是输入失调电压的调零端,中国计量学院 朱维斌,输入失调电流:在标称电源及其室温下,当集成运放的输出电压为0时,流入放大器两输入端的静态
2、基极电流之差。,IBP,IBP,IBN,IBN,VEE,VCC,VO,IOS=|IBPIBN|,中国计量学院 朱维斌,三、运放的振荡与相位补偿,Ui,Uio,Uf,Uo,电流、电压反馈:将负载电阻短接,看反馈信号是否消失,若消失,则为电压反馈,反之电流反馈。,Xo,Xi,Xs,Xf,A,自激振荡:指在没有输入信号时(Ui=0),放大电路也有输出(Uo0),通常可以由示波器观测到输出的振荡波形。,一个具有负反馈电路的放大器,只要A产生180的相位差,即可能激发振荡。,环路增益的相位,中国计量学院 朱维斌,由于一般的OPA内部是由23段的放大器组成,出现三个极点的机会相当多。在高频区将产生附加相移
3、,可能使负反馈变为正反馈,如反馈深度较深,即 1,就会产生自激振荡,从而使运放无法稳定地工作。 最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来工作。,相位补偿:在反馈放大电路的适当部分加入RC网络,以改变AF的频率响应。,uo,R3,ui,R1,R2,-,+,+,N1,C2,防止自激振荡的,C1,很多集成运放都有外接相位补偿网络端,中国计量学院 朱维斌,2.2 典型测量放大电路,测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。,例如:电阻应变式传感器电压放大器 光电池、光敏电阻电流放大器,一、测量放大电路的基本要求和类型,阻抗匹配 增益稳定 低噪声 低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂 足够的带宽
4、和转换速率(放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力) 高共模输入范围(几百伏)和高共模抑制比 可调的闭环增益 线性好、精度高 成本低,中国计量学院 朱维斌,二、反相放大电路,闭环增益 Kf= uo / ui = R2 / R1,输入阻抗不高, 在提高放大器的输入阻抗与提高电路的增益之间存在一定的矛盾,可用变形一(P22图2-10)。,带滤波器的反相放大器见变形二(P22图2-10)。,中国计量学院 朱维斌,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,中国计量学院 朱维斌,三、同相放大电路,Kf= uo / ui = 1
5、+R2 / R1,同相输入运算放大器的同相端和反相端都等于输入电压,相当于输入端有一个共模信号,因此构成同相放大器时要求运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。,特例:电压跟随器,平衡电阻,中国计量学院 朱维斌,同相交流放大电路 C1:隔直电容,交流电压跟随电路,中国计量学院 朱维斌,四、差动放大电路,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。,基本电路,共模与差模输入,中国计量学院 朱维斌,等效电路,差模电压uid= ui2ui1 , 共模电压uic=(ui1+ ui
6、2)/2,由等效电路可得 若R1=R3,R2=R4,则uo= (R2/R1) ud 即只对差模信号进行放大,中国计量学院 朱维斌,抑制能力的大小,常用共模抑制比CMRR来表示,如何求差动放大电路的共模抑制比?,要使CMRR,可得,工程上为了减少器件品种和提高工艺性,R1=R3,R2=R4,中国计量学院 朱维斌,五、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。一般的运放共模抑制比80db左右,所以我们采用多运放组合而成的测量放大电路
7、,共模抑制比100120dB,(一)双运放高共模抑制比放大电路,1.反相串联结构型,中国计量学院 朱维斌,N1反相放大,中国计量学院 朱维斌,2.同相串联结构型,N1同相放大,N2同相放大,输出端有,共模电压:,差模电压: uid=ui2-ui1,上式改为:,如何得到零共模增益?,同时,同相输入,输入阻抗很大,中国计量学院 朱维斌,(二)三运放高共模抑制比电路,uo,大范围增益调整电路,差分放大,差模增益:,中国计量学院 朱维斌,由此我们可以看到共模信号是被抑制的,且不要求外部电阻匹配,同时为了消除N1、N2输入失调电流,取R1=R2,调节电位器Ro,还可改变差模增益,这就是我们所说的大范围增
8、益调整电路,N1,N2,两个完全一样的运放构成平衡对称差动放大输入级,N3 双端输入单端输出差放,中国计量学院 朱维斌,缺点:N1和N2的CMRR1、CMRR2不相等时,会把输入端的共模信号传到 输出端。,同时,N3输出级,前提:R3=R4,R5=R6,电阻偏差很大,影响输出,精度控制在0.1之内,N3两端之间接入R7和R8和RP共模补偿电路,调节RP,可补偿电阻的不对称。,中国计量学院 朱维斌,无需为组装挑选性能完全一致的几个集成运放,AD612典型的三运放结构,中国计量学院 朱维斌,六、电桥放大电路(=传感器电桥+运放),电感式,电阻应变式,电容式传感器,通过电桥转换电路输出电压或电流信号
9、,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。,中国计量学院 朱维斌,如果Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+),为传感器电阻的相对变化率,非线性,在1时,,此时,输出电压与电桥电阻R无关,灵敏度不受R影响,1、单端输入电桥放大电路,中国计量学院 朱维斌,线性电桥放大电路,若R2=R(1+),R3=R(传感器标称电阻)时,,注意:uo与成正比,但是缺点是灵敏度与桥臂电阻R有关,但a,b之间有很大的共模电压,所以所选运放共模电压要小,失调也要小,2、线性电桥放大电路,线性,中国计量学院 朱维斌,七、低漂移放大电路(稳零放大电路),
10、为了,减少失调,减小低频干扰,常采用,斩波稳零放大电路,自动调零放大电路,(一)斩波稳零放大电路,又称调制式放大电路,原理:同步调制解调,输入直流或缓慢变化的信号Ui经调制器(斩波器)调制成频率较高的交流调幅信号,调制频率由方波发生器决定。调幅信号经交流放大器放大,最后由解调器解调输出放大了的输入信号。由于信号在调制后与解调前均有隔直电容,因此隔离了失调和低频干扰电压。,但这只针对低频信号,为了能在较宽频率范围内工作,可采用下图所示的典型斩波稳零放大电路,中国计量学院 朱维斌,(二)自动调零放大电路,N1主放 N2误差保持 N3时钟发生器(方波发生器) N4N3的反相器 Sa1、Sa2、Sb1
11、、Sb2模拟开关 N3驱动Sa1、Sa2,高电平导通,中国计量学院 朱维斌,前半周: N1输入接入地,只存在输入失调电压Uos1,Uc1Uos1,C1寄存了N1的输入失调电压,中国计量学院 朱维斌,后半周:接通Ui, Ui反相放大+输入失调放大+C1的寄存电压,Uo(R2/R1)Ui,自动调零,优点:1、输出电压稳定,波动小。2、失调和低频干扰小 。 3、成本低,适用于毫伏级的低电平放大。,中国计量学院 朱维斌,(三)低漂移集成运算放大器,1.轮换自动校零集成运算放大器CAZ运算放大器 2.斩波稳零集成运算放大器 ICL7650 高增益、失调电压影响小,高共模抑制比和高输入电阻(1011),输
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- 测控 电路 第二 信号 放大
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