09-10测控电路chapter02.ppt

第2章信号放大电路,第一节运算放大器的误差及其补偿第二节典型测量放大电路第三节隔离放大电路第四节噪声的基础知识,信号放大电路,将微弱的传感器信号放大到足以进行各种转换处理或推动指示器、记录器以及各种控制机构。,放大器的种类,低噪声放大电路高输入阻抗放大电路高共模抑制比放大电路差动放大电路电桥放大电路程控放大电路隔离放大电路,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,运算放大器的理想和实际特性比较,参数名称,理想,实际,差模增益,共模增益,输入阻抗,输出阻抗,带宽,∞90～100dB以上,00dB以上,∞100kΩ～数兆欧,010Ω～数百欧,0～∞0～10Hz（或0～10kHz）,二、失调及其补偿,输入失调电压,理想运算放大器输入电压为零，输出电压也为零,实际运算放大器输入电压为零，输出电压不为零,为使输出为零，须在输入端加某一电压,输入失调电压,实际是指输入电压为零时，输出电压折合到输入端的电压的负值。,输入电压为零，输出电压不为零,输出失调电压,,增益越大，输出失调电压越大，所以，失调电压的调整很重要,输出失调电压,,输入失调电流,所以输出端产生的失调电压为,,,输入失调电流,,输入失调电压和输入失调电流实测,,,输入失调电压为,,,,因此,,输入失调电压和输入失调电流的调整,,,调整方法,内部调整,外部调整,外部调整,调整电压加至反相输入端,,,,,调整电压加至同相输入端,,,内部调整,许多线性集成运算放大器设有调整失调的端子,,,放大器的输入信号为高频正弦波，而输出呈三角波时，其三角波的斜率称为转换速率。,三、转换速率和最大不失真频率,转换速率,表示了输出电压能够跟踪输入电压的能力,所以,,,四、运算放大器的振荡与相位补偿,绝大部分的运算放大器都使用于反馈状态,,由图可得,所以,即,,,避免自激振荡的最好办法是在运算放大器的适当位置加RC补偿网络。,,把振荡器连接到RC网络并增大频率，一旦频率增加到某一值时，增益开始下降。,,,RC回路的转折频率,,,内部相位补偿网络,外部相位补偿网络,输出信号相位超前输入信号的电路,将两种RC网络适当组合，可以防止产生振荡。,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电路，亦称仪用放大电路。,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,一、测量放大器的基本要求与类型基本要求①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移⑤足够的带宽和转换速率；⑥高共模输入范围和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。,测量放大电路的类型按电路结构分类-----差动直接耦合、调制式和自动稳压式三大类；按元件方式分类-----分立元件、通用集成元件和单片集成放大器三种,二、反相放大器,基本形式,闭环增益,输入阻抗,优点性能稳定，缺点输入阻抗比较低。,改进电路，可避免提高输入阻抗与提高电路增益的矛盾,闭环增益,为了抑制噪声和降低成本、简化结构，通常把放大器和滤波器设计成一体，如,三、同相放大器,基本形式,闭环增益,输入阻抗,优点具有高输入阻抗缺点易受干扰和精度低,低频交流放大电路,增益,电路中，同相放大器除了用于前置放大外，还经常用于阻抗变换或隔离。,跟随放大器,同相放大器的一种极端形式,电压增益为1,四、基本差动放大器,什么是差动放大器,差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。,基本差动放大器,,,,,如果满足,上式可写为,基本差动放大器等效电路,,,,,差模信号,共模信号,,,为共模电压增益,为差模电压增益,共模抑制比CMRR为,。,工程上为了减少器件品种和提高工艺性，常常使,此时,即电路只对差模信号进行放大,实际上，电路的共模抑制比不仅取决于电阻的匹配精度，还取决于运算放大器的共模抑制比、开环增益和输入阻抗等参数，甚至电路的分布参数也会影响电路的共模抑制比。,这种差动放大电路结构简单，但输入电阻较低，增益调节困难，使其应用受到很大限制。,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。,五、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,输出电压为,,当,输出电压为零，共模信号得到了抑制。,这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低。,2、同相串联结构型,,,,,,,,,,为了获得零共模增益，上式等号右边第一项必须为零可取,此时，电路的差动闭环增益为,,（二）三运放高共模抑制比放大电路,,,,,,差模增益,,,,,,因此电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。,但为了消除偏置电流等的影响，通常取,,,,,,根据共模抑制比定义，输入级的共模抑制比,,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1∶1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。,（三）有源屏蔽驱动电路,什么是有源屏蔽驱动电路,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。,屏蔽层与电缆线芯之间电容,实际应用中，大部分传感器与测量放大电路之间有一定距离，通常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。,,共模抑制比的幅值为,屏蔽层,11放大器,有源屏蔽驱动电路,六、电桥放大电路,何谓电桥放大电路,应用于何种场合,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。,（一）单端输入电桥放大电路,电桥放大电路的类型,单端输入,差动输入,,,,,,,令,为传感器电阻的相对变化率,则有,,,,,,,,单端输入电桥放大电路的增益与桥臂电阻无关，增益比较稳定。,（二）差动输入电桥放大电路,把传感器电桥两输出端分别与差动运算放大器的两输入端相连，构成差动输入电桥放大电路,,,,,（三）线性电桥放大电路,此时,,，,,,这种电路的量程较大，但灵敏度较低。,（一）自动调零放大电路（动态较零放大电路）,1主放大电路N1,2误差保持电路N2,3时钟发生器N3,4反相放大器N4,5模拟开关Sa1,Sa2,Sb1,Sb2,6N3、N4驱动模拟开关Sa1、Sa2和Sb1、Sb2,七、低漂移放大电路,N3输出高，N4则输出低，Sa1、Sa2接通；Sb1和Sb2断开，电路处于失调调零状态,a电路原理图,误差保持等效电路见图b,此时N1无输入信号，只存在失调电压U0s1，其输出为Uo1，再经N2放大后由电容C1保持。考虑到N2的失调电压U0s2，电容C1寄存的电压为,K11,K1K21,C1保持了误差电压,另半周，时钟发生器N3输出低电平，N4输出高电平时，模拟开关Sb1、Sb2接通，Sa1、Sa2断开，电路工作于放大,实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。,等效电路见图c,电路特点性能优于由通用集成运放组成的稳零电路；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。,1、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）什么是CAZ运算放大器CAZcircularautomaticzero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。,（二）低漂移单片集成运算放大器,若N1处于信号放大状态，N2则处于自动较零状态。,此时N2的反相输入端接系统地，N2无信号输入，因此C2寄存了N2的输入失调和低频瞬时干扰电压，称为校正电压。,当N2转换成信号放大状态时，N1则处于自动较零状态。,此时电容器C2串接于输入信号与N2同相输入端之间，寄存于C2的校正电压就抵消了N2的输入失调和低频瞬时干扰电压，达到自动校零的目的，N2输出放大了的输入信号。,2、斩波稳零集成运算放大器（ICL7650,N1主放大电路,N2调零放大器,A1、A2N1、N2的侧向输入端,Sa1,Sa2,Sb1,Sb2模拟开关,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,,,,,校零和放大阶段时钟为低电平，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,,N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的,,,,此时，主放大器的输出为,,,整个放大器的开环放大倍数,∴开环放大倍数近似为,为输入失调电压和共模信号产生的误差项,可等效为输入失调电压,一般设计可使,,相当于把的输入失调电压U0s1缩小至,即整个集成运算放大器的失调电压为U0s,,相当于输入的共模误差电压,,,,即,,（一）高输入阻抗集成运算放大器,八、高输入阻抗放大电路,1同相放大器,2电压跟随器,（二）自举式高输入阻抗放大电路,■何谓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、压电式传感器的测量放大电路。,1、自举式同相交流放大电路,2、自举式交流电压跟随电路,利用C2将运算放大器两输入端之间的交流电压作用于电阻R1的两端,对交流而言，,R1可看作无穷大。,3、自举式组合电路,由两个通用集成运算放大器N1、N2构成,设N1、N2为理想运算放大器,,,,输入电阻为,,,当R1R2时,即，运算放大器的输入电流全部由电路的电流所提供，输入回路无电流，输入阻抗为无穷大。,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。,2.3隔离放大电路,一基本原理1、组成及符号,输入放大器及其电源是浮置的,放大器输入端浮置，泄露电流极小，输入端到公共端的电容和泄露都很小，有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，电源浮置无共模电压。,隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电路的共模抑制比。,电路的输出电压,,原理框图,1变压器耦合,被测信号经放大并调制成调幅波后，由变压器耦合，再经解调、滤波和放大后输出,输入浮地放大器的直流电源是由滤波发生器产生的频率为几十千赫兹的高频振荡，经隔离变压器馈入输入电路，再通过整流、滤波而提供的，以实现隔离供电。,同时，高频振荡经隔离变压器为调制器提供所需载波信号，为解调器提供参考信号。,2光电耦合,将输入被测信号放大（也可载波调制），并由光耦合器中的发光二极管转换成光信号，再通过光耦合器中的光电器件变换成电压或电流信号，最后由输出放大器放大输出。,（二）通用隔离放大电路,1、AD277变压器耦合隔离放大器,,斩波稳零隔离放大器,2、光电耦合放大电路,前级电路把输入信号转换成与之成正比的电流信号，经光耦合器耦合到后级，光耦合器中的硅光敏晶体管输出电流信号，运放把电流信号转换成电压信号。,（1）光电耦合隔离放大电路,（2）互补式光电耦合隔离放大电路,,,,（三）程控增益隔离放大电路,