【教学课件】第三章生物医学常用放大器.ppt

第三章第三章 生物医学常用放大器生物医学常用放大器 利用电子技术，可以把除了生物电以外利用电子技术，可以把除了生物电以外的各种生理参数借助医用传感器变成易控的各种生理参数借助医用传感器变成易控制的电信号，进行放大、信号加工、制的电信号，进行放大、信号加工、A/DA/D转换、显示和记录。这样就能比较方便地转换、显示和记录。这样就能比较方便地研究和观察生命过程的各种微妙变化，使研究和观察生命过程的各种微妙变化，使得生命现象能够客观又定量地显示和计算。得生命现象能够客观又定量地显示和计算。由于人的机体是一极复杂的机构，通常临床由于人的机体是一极复杂的机构，通常临床诊断的数据较多，一般分为物理量、生化量等几诊断的数据较多，一般分为物理量、生化量等几种形式。诸量都与生理状态有关，通过计量和比种形式。诸量都与生理状态有关，通过计量和比较彼此之间的变化，即可作为诊断的主要依据，较彼此之间的变化，即可作为诊断的主要依据，也就是说，变成了医用诊断数据。这些数据除了也就是说，变成了医用诊断数据。这些数据除了生物电以外都是非电量，这可以借助各种医用传生物电以外都是非电量，这可以借助各种医用传感器变成易控制的电信号，然后再予以放大、信感器变成易控制的电信号，然后再予以放大、信号加工、号加工、A/DA/D转换、显示或记录。利用医用电子转换、显示或记录。利用医用电子学的方法，肌体的主要诊断数据基本上都可以很学的方法，肌体的主要诊断数据基本上都可以很方便地取得。方便地取得。3.1 生物医学信号的特点及频谱生物医学信号的特点及频谱 3.2 常用滤波电路常用滤波电路3.3 负反馈放大器负反馈放大器3.4 直流放大器直流放大器3.5 集成运算放大器集成运算放大器3.6 功率放大器功率放大器一、生物医学信号的特点一、生物医学信号的特点从表中可以看出：从表中可以看出：通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级。所以，要提取生物信号，必需经过一微伏级。所以，要提取生物信号，必需经过一定的放大处理。定的放大处理。由于生物电信号非常微弱，而普通的电子元由于生物电信号非常微弱，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使数微件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使数微伏级的生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级伏级的生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻、电容，低噪声的场效应必须选用高质量的电阻、电容，低噪声的场效应管，对电源要求输出稳定；此外，要求放大器的管，对电源要求输出稳定；此外，要求放大器的放大倍数稳定、均匀，具有良好的线性。放大倍数稳定、均匀，具有良好的线性。生物电信号的频带主要在低频和超低频范围生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，且频带较宽。内，且频带较宽。生物体的阻抗很高生物体的阻抗很高 A A.正弦信号正弦信号时域时域频域频域二、生物医学信号的频谱二、生物医学信号的频谱B B.方波信号方波信号时域时域频域频域 满满足足狄狄利利克克雷雷条条件件，展展开开成成傅里叶级数傅里叶级数直流分量直流分量其中其中基波分量基波分量三次谐波分量三次谐波分量频谱：将一个信号分解为正弦信频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值号的集合，得到其正弦信号幅值随角频率变化的分布，称为该信随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。号的频谱。二、生物医学信号的频谱二、生物医学信号的频谱 周期性波形的频谱n=0、1、2、3 n=1时，fn为f1，f1是非正弦式周期波的重复频率基频。此频率的正弦波称为基波，其它正弦波的频率fn都是基频的整数倍，称为n倍频，相应的正弦波称为n次谐波。即n=2、3、4分别对应二次、三次、四次谐波，用特性曲线来表示，一般是频谱的方法来表示。UtA00tU0 脉冲波形的频谱在时间上短促的波形称为脉冲。单个孤立的波形可以用一系列正弦波的叠加来组成，频率取连续值，且具有连续频谱。连续频谱的波形叠加用积分式表达：0Aff1234562/32/52/72/92/111/2/2U(t)0t脉冲高度矩形脉冲宽度0Aff1/22/23/2U(t)0t1/20.6065/20.60650.1350.01预备知识传递函数的概念 对于二端口网络，传递函数就是拉氏变换形式表示的输出电压或电流与输入电压或电流之比（二端口内部没有独立电源和附加电源）。拉氏变换和傅立叶变换都是积分变换，通过积分变换把已知的时域函数变换为频域函数。第二节第二节 常用滤波电路常用滤波电路滤波器：一种使有用的信号能顺利通过，无用信号被消除或衰减的电路。被滤除（或被衰减）的信号频带称为阻带被传输的信号频带称为带通。按组成器件分 有源滤波器 无源滤波器 按结构形式上分 C型滤波器 L型滤波器T型滤波器型滤波器放大电路的分析放大电路的分析 静态工作点的确定：估算法图解法 当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作时，特别时放大电路比较复杂时，可用微变等效电路法来分析；动态分析 当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时，需要采用图解法进行分析。iCuCEuo可输出的可输出的最大不失最大不失真信号真信号选择静态工作点选择静态工作点ibQQQ失真分析失真分析TIC 固定偏置电路的固定偏置电路的Q点是不稳定的。点是不稳定的。Q点不稳定点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少增加时，能够自动减少IB，从而抑制，从而抑制Q点的变化。点的变化。保持保持Q点基本稳定。点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。静态工作点的稳定静态工作点的稳定分压式偏置电路：分压式偏置电路：RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo耦合方式：耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。多级阻容耦合放大电路多级阻容耦合放大电路耦合：耦合：即信号的传送。即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：多级放大电路对耦合电路要求：1.静态：保证各级静态：保证各级Q点设置点设置2.动态动态:传送信号。传送信号。第一级第一级放大电路放大电路输输 入入 输输 出出第二级第二级放大电路放大电路第第 n 级级放大电路放大电路 第第 n-1 级级放大电路放大电路功放级功放级要求：要求：波形不波形不失真，减少压失真，减少压降损失。降损失。关键关键:考虑级间影响。考虑级间影响。1.静态静态:Q点同单级。点同单级。2.动态性能动态性能:方法方法:ri2 =RL1ri2+UCC1M(+24V)R127kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET2性能分析性能分析多级阻容耦合放大器的特点：多级阻容耦合放大器的特点：(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。点相互独立，分别估算。(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4)总电压放大倍数总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。各级放大倍数的乘积。(5)总输入电阻总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻即为第一级的输入电阻ri1。(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。总输出电阻即为最后一级的输出电阻。射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。起匹配作用，从而改善放大电路的性能。生物医学信号的特点生物医学信号的特点通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至通常生物电信号的幅度较低，只有毫伏级甚至微伏级。所以，要提取生物信号，必需经过一微伏级。所以，要提取生物信号，必需经过一定的放大处理。定的放大处理。由于生物电信号非常微弱，而普通的电子元由于生物电信号非常微弱，而普通的电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使数微件的噪声相当于数微伏无规则电压，为了使数微伏级的生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级伏级的生物电信号不被噪声淹没，放大器的前级必须选用高质量的电阻、电容，低噪声的场效应必须选用高质量的电阻、电容，低噪声的场效应管，对电源要求输出稳定；此外，要求放大器的管，对电源要求输出稳定；此外，要求放大器的放大倍数稳定、均匀，具有良好的线性。放大倍数稳定、均匀，具有良好的线性。生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，生物电信号的频带主要在低频和超低频范围内，且频带较宽。且频带较宽。生物体的阻抗很高生物体的阻抗很高 常用滤波电路常用滤波电路 按信号性质分 模拟滤波器 数字滤波器 按 阶 数 分 一阶，二阶 高阶 按带通带阻在频谱中的相对位置分 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 低通滤波器 对低频信号几乎无衰减地传输，但阻止高频信号通过 UiRCUo0.70701TfffH 低通滤波器有多种结构，最简单的是由电容C构成，结构稍复杂的是C型、L型、型、T型低通滤波器。上限频率当信号频率很低（f/fH1时，Tff/fH，高频成分被衰减，Tf 与f成反比。当ffH时，即信号频率等于上限频率时，相位落后/4。晶体管也有低通滤波的作用。滤波特点分析相关参数的确定：fH1/2RC 高通滤波器 对高频信号几乎无衰减地传输，但阻止低频信号通过。UiRCUo0.70701TfffL滤波特点分析当频率很低时，低频成分被衰减，Tf 与f成正比。当频率很高时，高频成分能顺利通过，且相位也不改变。fL为下限频率，当ffL时，通频带为fL。晶体管也有低通滤波的作用。时间常数RC，一般使fL在25之间。相关参数的确定：带通滤波器 对规定频带内的信号可以无衰减地传输，而对低于或高于该频带的信号有很大的衰减。0.70710TfffLfH相关参数品质因数Q 当Q值低时，电路的选频能力小，允许比较宽的频带范围的信号通过宽带滤波。最简单的低频（低Q值）滤波器可由高通和低通滤波器共同组合而成，其允许通过的频带由fL和fH决定。当Q值高时，电路具备较强的选频能力，即只允许较窄的频率范围的信号通过，称为窄带滤波。此时的电路可称为选频电路。对于数兆赫兹以上的高频信号，只有用电阻、电容和电感组合起来才能组成高频窄带（高Q值）滤波器，对于低频生物医学信号只有电阻、电容和放大器结合起来，才能组成低频窄带（高Q值）的滤波器。带阻滤波器 只阻止所规定频段的信号，低于或高于该频段的信号都能通过。0Tff0.707fLfH1RCRCRCCR/2UiUoR2C陷波频率：输出开路的情况下输出开路的情况下 在实际电路中，接上负载后，Q值将会降低；由于电阻和电容存在误差，各个电阻、电容不能严格保证公式中的比例，在f0处的传输系数不会等于零。因此，实际的Q值往往是低于理论值的。带阻滤波器在生物医学放大电路中常常用作50Hz陷波器，用来滤掉50Hz的市电干扰，此时f050Hz 一、负反馈的概念一、负反馈的概念凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为就称为反馈反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，所这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是信号的相位关系，同相是正反馈正反馈，反相是，反相是负负反馈反馈。放大器放大器输出输出输入输入取取+加强输入信号加强输入信号 正反馈正反馈 用于振荡器用于振荡器取取-削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 用于放大器用于放大器开环开环闭环闭环负反馈的作用：负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈网络反馈网络叠加叠加反馈反馈信号信号实际被放大信号实际被放大信号反馈框图：反馈框图：一、电压反馈和电流反馈一、电压反馈和电流反馈电压反馈：电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。反馈信号取自输出电流信号。电压负反馈：电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。可以稳定输出电流、增大输出电阻。根据反馈所采样的信号不同，可以分为根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。电压反馈和电流反馈。二、负反馈的方式二、负反馈的方式根据反馈信号在输入端与输入信号根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为比较形式的不同，可以分为串联反馈串联反馈和和并联反馈并联反馈。串联反馈：串联反馈：反馈信号与输反馈信号与输入信号串联，入信号串联，即反馈电压信即反馈电压信号与输入信号号与输入信号电压比较。电压比较。串联反馈使电路的输入电阻增大二、串联反馈和并联反馈二、串联反馈和并联反馈ufuiubeube=ui-ufiifibib=i-if并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。电流与输入信号电流比较。并联反馈使电路的输入电阻减小。三、交流反馈与直流反馈三、交流反馈与直流反馈交流反馈：交流反馈：反馈只对交流信号起作用。反馈只对交流信号起作用。直流反馈：直流反馈：反馈只对直流起作用。反馈只对直流起作用。若在反馈网络中若在反馈网络中串接隔直电容串接隔直电容，则可以隔断，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。直流，此时反馈只对交流起作用。在起反馈作用的电阻两端在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容并联旁路电容，可，可以使其只对直流起作用。以使其只对直流起作用。有的反馈只对交流信号起作用；有的反有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用。直流信号均起作用。负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点稳定静态工作点负反馈的分类小结负反馈的分类小结 电流串联负反馈+UCCRCC2C1RB1IBREIc(IE)三、三、几种负反馈电路几种负反馈电路I1由于某种原因使得IC通过ReVEVBEIBIc直流工作情况RB2交流通路交流通路RBRERCRSusui(+)ufube(+)ieici0uf =ie Re io Re，就是反馈电压 ube=ui-uf 电路中反馈信号uf以电压形式出现，在输入回路中，uf起抵消ui的作用，致使三极管净输入电压ube=ui-uf 减小，放大倍数下降，由Re 产生的uf与ui串联，属串联负反馈，uf与输出电流io ie 成比例，即输出取样对象为电流。电流反馈的重要特点是维持输出电流的恒定，在ui一定的条件下，不论何种原因，使io减小，负反馈的作用，将引起如下的自动调整过程：RL通过ReufubeioioRCRSusuiufubeieici0RE 电压串联负反馈+UCCC2C1RB1REC2RB2ubeufui 在输入回路中，Re上的反馈电压与加在三极管基极上的输入信号电压是串联关系，相加的结果是基极上输入电压的变化量相应减少，所以是负反馈。电压串联负反馈+UCCubeufuiC1RB1REC2RB2ui=uo+ube =uo+rbeib 电路的电压放大倍数略小于1，输出电压与输入电压同相，输出电压跟随输入电压变化 射极跟随器射极跟随器uotuit 射极跟随器不能对输入信号电压进行放大，但输出电流却远比基极输入电流大，功率放大倍数是 Kp=po/pi=uo ie/ui ib1输出电阻ro通常 Re（Rs+rbe）/(1+)且1所以 例：当三极管的50，rbe1k，Rs=50，Rb=100 k Rs=Rs|Rb=50|100k50，ro=21 射极跟随器的输出电阻很小，一般在几十欧到几百欧的范围内。电压负电压负反反馈馈使放大器的使放大器的输输出出电电阻减小。阻减小。电路的输入电阻：在不考虑RB1、RB2分流作用的情况下RE=Re|RL 考虑到RB1、RB2分流作用 电压电压串串联负联负反反馈馈有很高的有很高的输输入阻抗，入阻抗，这对这对生物医学信号的生物医学信号的测测量有重要意量有重要意义义。反馈网络反馈网络F基本放大器基本放大器K0uiufuoRE串联比较串联比较电压取样电压取样 不管是串不管是串联还联还是并是并联负联负反反馈馈，只要是，只要是电压电压反反馈馈都具有都具有稳稳定定输输出出电压电压的作用。的作用。RLufubeuouo当ui一定时，若负载电阻RL减小而致使uo下降 电压反馈的重要特点是具有使电路的输出电压基本维持恒定的作用，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压uo本身的变化，通过反馈元件对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。由于电压串联负反馈有高输入电阻、低输出电阻，所以在电子电路中，经常作为阻抗转换装置，插在各级放大器中以及信号源与放大器间的连接处，以匹配各级间的阻抗。在医学仪器中，广泛应用由场效应管组成的源极跟随器，场效应管与三极管相比具有噪声小、输入电阻高等优点。+UCCC1RFREC2Rc-电压并联负反馈uiRsibificAii if+ib 即：三极管所得到的净输入电流 ib ii if if 与ii 是并联关系 基极电流实际发生的改变较小，输出电压较小，使放大倍数降低。电路为电压并联负反馈 当Rs0时，if与ii无关，反馈信号将不起作用；当Rs0且很大时，反馈影响最大。电压并联负反馈 电压并联负反馈与电压串连负反馈一样都能使放大器的输出电阻减小，维持输出电压基本恒定。电流反馈的重要特点是维持输出电流的恒定。电压反馈的重要特点是使电路的输出电压基本维持恒定。串联负反馈使输入电阻增加并联负反馈使输入电阻减小电压负反馈减小输出电阻电流负反馈增加输出电阻四、四、负反馈对放大器性能的改善负反馈对放大器性能的改善基本放大基本放大电路电路Ko反馈回电反馈回电路路F+uoufuiui开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数闭环放大倍数闭环放大倍数一、对放大倍数的影响一、对放大倍数的影响Ko开环放大倍数开环放大倍数KF闭环放大倍数闭环放大倍数反馈深度反馈深度定义：定义：同相，所以同相，所以则有：则有：负反馈使放大倍数下降。负反馈使放大倍数下降。(3)引入负反馈使电路的稳定性提高。引入负反馈使电路的稳定性提高。中，中，(1)(2)若若称为深度负反馈，此时称为深度负反馈，此时 在深度负反馈的情况下，放大倍数只与在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。反馈网络有关。二、对通频带的影响二、对通频带的影响引入负反馈使电路的通频带宽度增加：引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fKBo Ko KF BF三、改善波形的失真三、改善波形的失真Kouiuo加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后ufuiKoF+改善改善uouo四、对输入、输出电阻的影响四、对输入、输出电阻的影响1.串联负反馈使电路的输入电阻增加：串联负反馈使电路的输入电阻增加：2.并联负反馈使电路的输入电阻减小：并联负反馈使电路的输入电阻减小：例如例如:射极输出器射极输出器理解：理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。一个电阻，故输入电阻增加。理解：理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。一条支路，故输入电阻减小。3.电压负反馈使电路的输出电阻减小：电压负反馈使电路的输出电阻减小：例如例如:射极输出器射极输出器理解：理解：电压负反馈目的是阻止电压负反馈目的是阻止 uo的变化，稳定的变化，稳定输出电压输出电压。放大电路空载时放大电路空载时可等效右图框中可等效右图框中为电压源：为电压源：输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。roesouoRL理解：理解：电流负反馈目的是阻止电流负反馈目的是阻止 io的变化，稳定的变化，稳定输出电流输出电流。放大电路空载时放大电路空载时可等效为右图框可等效为右图框中电流源：中电流源：输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。4.电流负反馈使电路的输出电阻增加：电流负反馈使电路的输出电阻增加：roisoioRL四、抑制干扰和噪声四、抑制干扰和噪声五、注意点五、注意点六、负反馈类型的判别六、负反馈类型的判别电压反馈与电流反馈判别方法：电压反馈与电流反馈判别方法：电压反馈电压反馈一般从后级放大器的集电极采样。一般从后级放大器的集电极采样。电流反馈电流反馈一般从后级放大器的发射极采样。一般从后级放大器的发射极采样。并联反馈与串联反馈判别方法：并联反馈与串联反馈判别方法：并联反馈并联反馈的反馈信号接于晶体管基极。的反馈信号接于晶体管基极。串联反馈串联反馈的反馈信号接于晶体管发射极。的反馈信号接于晶体管发射极。注意：注意：直流反馈中，输出电压指直流反馈中，输出电压指UCE，输出，输出电流指电流指IE或或IC。用输出短路法来判别电压、电流反馈：分析时将放大器的输出端短路，如果此时反馈信号不再存在，就是电压反馈；反之，若反馈信号依然存在，就是电流反馈。判断负反馈的方法判断负反馈的方法瞬时极性法瞬时极性法假设输出端信号有一定极性的瞬时变化，依假设输出端信号有一定极性的瞬时变化，依次经过反馈、比较、放大后，再回到输出端，若次经过反馈、比较、放大后，再回到输出端，若输出信号与原输出信号的变化极性相反，则为负输出信号与原输出信号的变化极性相反，则为负反馈。反之为正反馈。反馈。反之为正反馈。如果是电压反馈，则要从输出电压的微小变化如果是电压反馈，则要从输出电压的微小变化开始。如果是电流反馈，则要从输出电流的微小变开始。如果是电流反馈，则要从输出电流的微小变化开始。化开始。判断时在输入端也要反映出反馈信号与输入信判断时在输入端也要反映出反馈信号与输入信号的比较关系。号的比较关系。直直 流流 放放 大大 器器直流放大器需要解决的两个问题：各级间的耦合问题：零点漂移的问题：+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1增加增加R2、RE2:用于设置合适的用于设置合适的Q点。点。问题问题 1:前后级前后级Q点相互影响。点相互影响。R2RE2直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题问题问题 2:零点漂移。零点漂移。前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得前一级的温漂将作为后一级的输入信号，使得当当 ui 等于零时，等于零时，uo不等于零。不等于零。uiRC1R1T1+UCCuoRC2T2R2RE2uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没一、直流放大器的级间耦合一、直流放大器的级间耦合 后级接发射极电阻RE+ECRBRC2T1T2RC1REuiuo 后级发射极接二极管或稳压二极管 辅助电源法+ECRC2T2RBT1RC1R1R2EBuiuo 利用PNP型管与NPN型管的组合电路+ECRBRC2T1T2RC1uiuo二、差分放大器二、差分放大器预备知识ui1ui2放大电路uo差模信号共模信号即两个输入端信号的算术平均值 即两个输入端信号之差 特点：特点：结构对称。结构对称。ui1ui2uoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2二、差分放大器二、差分放大器IC2IC1 当没有输入信号 ui1=ui2=0 RC1IC1RC2IC2 UC1=UC2 Uo=0 输输入信号入信号电压为电压为零零时时，输输出信号出信号电压电压也也为为零。零。当把输入信号电压ui加在两个输入端之间 ui1ui/2ui2-ui/2差模信号差模信号 差模输入差模输入 ic1=-ic2=ic uoui1ui2 RC1iC1RC2iC2 =2RCiCRC/rbe 电电路是根据两个路是根据两个输输入入信号之差来工作的，所以信号之差来工作的，所以有差有差动动式式电电路之称。路之称。抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo=UC1-UC2 =0uo=(UC1+uC1 )-(UC2+uC2)=0当当 ui1=ui2=0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RC1Rb1T1RS1RC2Rb2T2RS2ui2 差分放大器的改差分放大器的改进进型型 具有射极公共电阻的差动放大器 EE+ECuoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2ui1ui2RET()IC1IC2IEUEUBE1UBE2IB1IB2ReIC1IC2+ECuoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2ui1ui2RE 带恒流源的差动放大器 R3EER2T3R11.恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，使共模放恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用共模抑制比共模抑制比CMRR：说说明差明差动动放大器抑制共模信号的能力放大器抑制共模信号的能力 CMRR=Kd/Kc CMR=20lg Kd/Kc+ECuoRC1RB1T1RS1RC2RB2T2RS2ui1ui2RER3EER2T3R1RE 差放电路的几种接法差放电路的几种接法输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端双端输入双端输出：双端输入双端输出：Kd =Kd1双端输入单端输出：双端输入单端输出：ui1+UCCui2uoERCT1RBRCT2RBIC3-UEEabmn双端输出：双端输出：Kd =Kd1单端输出：单端输出：对对Kd而言，双端而言，双端输入与单端输入输入与单端输入效果是一样的。效果是一样的。ui1+UCCui2uoERCT1RBRCT2RBIC3-UEE ib2 ib1ud=0.5ui ,uc=0双端输入：双端输入：ui1=-ui2=0.5uiud=0.5ui ,uc=0.5ui 单端输入：单端输入：ui1=-ui，ui2=0abmn 差分放大器具有抑制零点漂差分放大器具有抑制零点漂移，且有灵活的输入输出方式，移，且有灵活的输入输出方式，被广泛应用于各种生物医学测量被广泛应用于各种生物医学测量仪器中。它是集成运算放大器的仪器中。它是集成运算放大器的基础。基础。t0uAT/2T2T三、调制型直流放大器三、调制型直流放大器 斩波调制器SuiRuAARLuot0uit0uoRBubt0uAt0t1t2t3三、调制型直流放大器三、调制型直流放大器 解调信号调制放大解调SuAAuiuoR1RLR2C1C2t0uit0t1t2t3t0uouA0tt0t1t2t3RB三、调制型直流放大器三、调制型直流放大器 解调SubuAAuiuoR1RLR2C1C2t0uit0t1t2t3t0uo集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成运算放大器：集成运算放大器：将整个运算放大器集成在一个小硅片上将整个运算放大器集成在一个小硅片上用于模拟计算机中进行各种数学运算用于模拟计算机中进行各种数学运算一、集成运放的内部结构及特点一、集成运放的内部结构及特点集成电路内部结构的特点：集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外接。3.几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：原理框图：输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高 KCMRR ,输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。功率放大，提高带负载的能力。ri 大大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点：运放的特点：CMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 K d 很大很大:104 107理想运放：理想运放：ri CMMRR ro 0 0Kd 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uo o国际符号国际符号国内符号国内符号 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Kd无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107（或（或60100dB）之间。理想运放）之间。理想运放的的Kd为为。共模抑制比共模抑制比CMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。输入阻抗输入阻抗riri1M,有的可达有的可达100M 以上。以上。输出阻抗输出阻抗roro=几几-几十几十。二、二、集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 输入失调电压输入失调电压Uis 输入电流输入电流Iis还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。不再一一介绍。反映了运放差反映了运放差动输动输入入级级的的对对称程度，失称程度，失调电压调电压越大，运放的越大，运放的对对称性越差称性越差。一般为毫伏级。一般为毫伏级。由差由差动输动输入入级级两个晶体管两个晶体管值值不一致所引起的。不一致所引起的。uiuo+UOM-UOMKd越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之间间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Kd例：若例：若UOM=12V，Ao=106，则则|ui|R4时，该放大电路，在放大倍数较大时，该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱的存在，削弱了负反馈。了负反馈。二、同相放大器二、同相放大器_+RFR1R2uiuou-=u+=ui反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。虚连接虚连接虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。i1ifIi=0i1=if同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：3.共模输入电压为共模输入电压为ui，因此对运放的共模，因此对运放的共模抑制比要求高。抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是可认为是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大由于串联负反馈的作用，输入电阻大。_+uiuo此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。_+RFR1R2ui2uoR3ui1解出：解出：四、差分放大器四、差分放大器R1=R2，R3=RF当当 R1=R2R3=RF 时，时，输出电压等于两输入端电压之差输出电压等于两输入端电压之差实现减法运算实现减法运算_+RFR1R1ui2uoRFui1差动放大器放大了两个信号的差，但是它的差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入这是由于反相输入造成的。造成的。加减运算电路加减运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。有关。五、五、运算放大器的基本电路运算放大器的基本电路一、反相加法运算一、反相加法运算R12_+RFR11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+RFR11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。二、同相求和运算二、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：，则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）三、加减运算电路三、加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+RFR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R5R2_+RFR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R5虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路 输输出出电压电压等于各等于各输输入入电压电压按不同比例相按不同比例相加或相减。加或相减。如果R1、R2、R3、R4取不同的值，需按权重进行加减法。如果R1=R2=R3=R4，可以实现普通的加减运算。即 1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同关于输入电阻：反相输入的输入