第二章信号放大电路设计课件.ppt

《第二章信号放大电路设计课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章信号放大电路设计课件.ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二章第二章 信号放大电路信号放大电路知识回顾知识回顾1.漂移漂移 在理想情况下，当输入信号为在理想情况下，当输入信号为0时，放大时，放大器输出的直流电压应该为器输出的直流电压应该为0，一般称此为零工，一般称此为零工作点，简称零点作点，简称零点。随着温度等因素的变化，若输入信号为随着温度等因素的变化，若输入信号为0时，放大器输出端却出现了一定的直流电时，放大器输出端却出现了一定的直流电压，则该直流电压就被称为压，则该直流电压就被称为“零工作点漂移零工作点漂移”，简称为简称为“零漂零漂”或或“漂移漂移”。知识回顾知识回顾2.差模输入差模输入、共模输入、共模输入 差模输入：当差分放大电路两输入端加

2、上差模输入：当差分放大电路两输入端加上大小相等大小相等、极性相反的信号时，称为差模输、极性相反的信号时，称为差模输入方式入方式。此时的输入被称为差模输入信号。此时的输入被称为差模输入信号；共模输入：运放两输入端加上大小相等，共模输入：运放两输入端加上大小相等，极性相同的信号时，称为共模输入方式极性相同的信号时，称为共模输入方式。此。此时的输入被称为共模输入信号时的输入被称为共模输入信号。知识回顾知识回顾3.共模抑制比共模抑制比CMRR(KCMR)用来衡量差分放大电路对差模信用来衡量差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制号的放大能力和对共模信号的抑制能力的指标能力的指标。它定义为差模

3、电压。它定义为差模电压增益增益Avd与共模电压增益与共模电压增益Avc之比之比的绝对值的绝对值，或用分贝（，或用分贝（dB）表示。）表示。知识回顾知识回顾4.输入失调电压输入失调电压Uos a.运放不加调零，其输入端短路并接地时，运放不加调零，其输入端短路并接地时，运放所产生的输出电压折算到输入运放所产生的输出电压折算到输入 端的电压大小；端的电压大小；b.在运放的两输入端外加一直流补偿电压，在运放的两输入端外加一直流补偿电压，使放大器输出端的电压为使放大器输出端的电压为0（或规（或规 定值），此时外加的补偿电压即输入失调定值），此时外加的补偿电压即输入失调电压电压Uos（大小相等极性相反）。

4、（大小相等极性相反）。知识回顾知识回顾5.输入偏置电流输入偏置电流IB（共模信号）（共模信号）集成运放的失调电压被补偿后，使其输出集成运放的失调电压被补偿后，使其输出电压为电压为0时，运放两输入端所需偏流的平均时，运放两输入端所需偏流的平均值。值。6.输入失调电流输入失调电流Ios 集成运放的失调电压被补偿后，使其输出集成运放的失调电压被补偿后，使其输出电压为电压为0时，运放两输入端偏流之差的绝对时，运放两输入端偏流之差的绝对值。值。知识回顾知识回顾7.理想运放的性能指标理想运放的性能指标 开开环环差差模模增增益益Avd为为；差差模模输输入入电电阻阻Ri为为；输输出出电电阻阻R0为为0；共共模

5、模抑抑制制比比KCMR为为；上上限限截截至至频频率率fH=；输输入入失失调调电电压压Uos、输输入入失失调调电电流流Ios、温温漂漂均均为为0，且且无无任任何内部噪声何内部噪声。一一、测量放大电路、测量放大电路 放大微弱电压放大微弱电压、电流、电流、电荷信号的电路，也、电荷信号的电路，也称为仪用放大电路称为仪用放大电路。可分为调制式。可分为调制式、差动直接耦、差动直接耦合式合式、自动稳定式三大类、自动稳定式三大类 。（一）、稳零放大电路（一）、稳零放大电路 针对输入为针对输入为0mV到数到数mV的直流电压，而抑制零的直流电压，而抑制零漂的情况漂的情况。这是因为零漂成为无法与信号分离的。这是因为

6、零漂成为无法与信号分离的“误误差差信信号号（电电压压）”。当当被被放放大大的的信信号号为为微微弱弱的的直直流信号时，必须选用斩波放大器和动态校零放大器流信号时，必须选用斩波放大器和动态校零放大器两种低漂移直流放大器对信号进行放大两种低漂移直流放大器对信号进行放大 。1.斩波稳零放大器（调制解调型直流放大器）斩波稳零放大器（调制解调型直流放大器）（1）电路工作原理）电路工作原理 将输入的直流信号电压经斩波器（调制将输入的直流信号电压经斩波器（调制器）转换为交流电压，由交流放大器放大器）转换为交流电压，由交流放大器放大后再经解调器将放大后的交流电压转换为后再经解调器将放大后的交流电压转换为直流电压

7、直流电压 。斩波稳零放大器的工作原理图如图所示斩波稳零放大器的工作原理图如图所示。（2）电路工作过程）电路工作过程2、自动调零放大电路（动态校零放大电路）、自动调零放大电路（动态校零放大电路）（1）设计思想和目的）设计思想和目的 将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它回送到放大器的输入端，以抵消然后将它回送到放大器的输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压掉放大器本身的失调电压 。电路在一定频。电路在一定频率的方波信号控制下分两个阶段工作：第率的方波信号控制下分两个阶段工作：第一阶段为放大器的误差检测与寄存阶段，一阶段为放大器的误差检测与寄存阶段，第二阶段

8、为电路的校零与放大阶段第二阶段为电路的校零与放大阶段 。目的：消除漂移，主要是消除失调电压带目的：消除漂移，主要是消除失调电压带来的漂移来的漂移 。（2）电路的工作原理）电路的工作原理-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a)电路原理图电路原理图K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b)误差保持误差保持UoC1UiR1R2K1-+N1c)调零放大输出调零放大输出3、轮换自动校零集成运算放大器（、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ）(1)思想思想：CAZ运算放大器是轮运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，换自动校零集成运算放大器

9、的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两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作在信号放大和自动校零两种不同的状态的状态。若若N1进行信号放大，则进行信号放大，则N2进行自动校零，反之亦然进行自动校零，反之亦然。（2）工作原理）工作原理输出C1GR2输入-+N1-+N2R2+输入 a)N2处于自动校零状态C2C1G输入 C2+输入 输出 R2-+N1-+N2R2b)N1处于自动校零状态4、斩波稳零集成运算放大器、斩波稳零集成运算放大器（1）ICL7650简介简介ICL7650是美国是美国Intersil公司首先研制

10、的一公司首先研制的一种种CMOS单片集成动态自校零运算单片集成动态自校零运算、放大、放大器器。它属于第四代运放，其特点是低失。它属于第四代运放，其特点是低失调调、低漂移（、低漂移（1V，0.01V/），高），高增益增益134dB），高共模抑制比（），高共模抑制比（130dB），），高输入阻抗（高输入阻抗（1012）。国产型号为。国产型号为5G7650。（2）ICL7650的工作原理的工作原理电路由两个运放组成电路由两个运放组成N1和和N2，其中，其中N1为主放大器，为主放大器，N2为调零放大器为调零放大器。两个。两个运放都有第运放都有第3输入端输入端侧向输入端侧向输入端。4个模拟开关个模拟开关

11、Sa1、Sa2 、Sb1 、Sb2由内部或外部时钟驱动由内部或外部时钟驱动。第一阶段：误差检测和寄存阶段，此第一阶段：误差检测和寄存阶段，此时时Sa1、Sa2闭合，闭合，Sb1 、Sb2断开断开；ICL7650电路图电路图内部调制补偿电路箝位电路外时钟输入GSaSb时钟输出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+-+N1+-+N2+-第一阶段：第一阶段：误差检测和寄存阶段，此时误差检测和寄存阶段，此时Sa1、Sa2闭合，闭合，Sb1 、Sb2断开断开 第二阶段第二阶段：Sa1、Sa2断开，断开，Sb1、Sb2闭合闭合（3）ICL7650的误差等效的误差等效（4）ICL7650的

12、使用的使用 ICL7650有有两两种种封封装装形形式式，14脚脚DIP封封装装和和8脚脚圆圆形形金金属属管管壳壳封封装装。下下面面是是它它的的14脚脚DIP封装的引脚图封装的引脚图：17：C1、C2、保护、保护、+IN、-IN、保护、保护、-US；8-14：C+、钳位输出、钳位输出、U0、+US、内时、内时钟输出钟输出、外时钟输入、外时钟输入、GND（5）ICL7650的补充说明的补充说明 它它的的内内部部调调制制补补偿偿电电路路是是整整个个放放大大器器频频响响的的补补偿偿电电路路，使使放放大大器器具具有有较较宽宽的的相相位位裕裕度度和和较较宽宽的的频频响响特特性性，钳钳位位电电路路一一旦旦出

13、出现过载，电路能有效的防止阻塞现过载，电路能有效的防止阻塞。ICL7650是是一一种种低低压压CMOS器器件件，电电源源电电压压的的典典型型值值为为(双双电电源源)。两两个个记记忆忆电电容容C1、C2需需外外接接，均均为为0.1微微法法，一一般般宜宜采采用用漏漏电流较小的高质量电容器电流较小的高质量电容器。可利用可利用ICL7650组成各种闭环放组成各种闭环放大电路，如同相大电路，如同相、反相放大器，、反相放大器，测量放大器，电桥放大器等等测量放大器，电桥放大器等等。由于由于ICL7650具有高精度具有高精度、低、低漂移漂移、高输入阻抗等特点，故可、高输入阻抗等特点，故可利用它构成微弱信号的前

14、置放大器利用它构成微弱信号的前置放大器 。（二）、高输入阻抗放大电路高输入阻抗放大电路-自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路 适用场合适用场合：由于有的传感器（电容由于有的传感器（电容式、电感式等）的输出阻抗很高，式、电感式等）的输出阻抗很高，要与之匹配，则要求放大电路具有要与之匹配，则要求放大电路具有高输入阻抗。即该电路适合于与传高输入阻抗。即该电路适合于与传感器高输出阻抗相匹配而提高放大感器高输出阻抗相匹配而提高放大器输入阻抗的情况器输入阻抗的情况。（一）、思想思想在主放大器的基础上，附加一个辅助在主放大器的基础上，附加一个辅助放大器，用它提供的补偿电流去减少放大器，用它提供的

15、补偿电流去减少主放大器从信号源吸取的电流，便可主放大器从信号源吸取的电流，便可大幅度提高放大器的等效输入阻抗。大幅度提高放大器的等效输入阻抗。这是利用自举原理提高输入阻抗的基这是利用自举原理提高输入阻抗的基本思想。本思想。如果不用这种方法提高输入阻抗，而如果不用这种方法提高输入阻抗，而是进一步加大输入端的阻抗，则由失是进一步加大输入端的阻抗，则由失调电流引起的漂移将随之增加。调电流引起的漂移将随之增加。（二）、（二）、3种常用的自举电路种常用的自举电路1、同相交流放大电路（图、同相交流放大电路（图a）U1+-U0KU1+-Ri运放的等效模型运放的等效模型U0KU1+-R3UiRR2+U2-U1

16、+_Ii2、交流电压跟随器放大电路（图、交流电压跟随器放大电路（图b）U0KU1+-RiR3R1R2Ui-U1+3、自举组合放大电路（图、自举组合放大电路（图c）（三）、高共模抑制比放大电路（三）、高共模抑制比放大电路 适合于传感器的输出带有很适合于传感器的输出带有很大的共模电压（包括干扰电大的共模电压（包括干扰电压）而抵消或抑制这种干扰压）而抵消或抑制这种干扰的情况。的情况。1、反相串联型双运放高共模抑制比、反相串联型双运放高共模抑制比放大电路（图放大电路（图a）当时，Kc=0 共模抑制比共模抑制比CMRR的求法的求法运运放放放放大大电电路路的的共共模模抑抑制制比比CMRR与与两两个个因因素

17、素有有关关：一一是是运运放放自自己己的的共共模模抑抑制制比比；二二是是电电路路中中电电阻阻的的匹匹配配精精度度，越越小，电路的共模误差越小。小，电路的共模误差越小。2、同相串联型双运放高共模抑制比、同相串联型双运放高共模抑制比 放大电路（图放大电路（图b）3、三运放高共模抑制比放大电路、三运放高共模抑制比放大电路(c)输入级的差模增益输入级的差模增益 输出级电路的输出输出级电路的输出 当当R3=R4,R5=R6时，整个电路的：时，整个电路的：有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路 实际应用中，传感器与放大电路之间实际应用中，传感器与放大电路之间通常有一段距离，为了减少外部对输通常有一段距离，为了减少

18、外部对输入端引起的干扰和保证不因漏电流引入端引起的干扰和保证不因漏电流引起输入阻抗的降低，一般对输入引线起输入阻抗的降低，一般对输入引线采用屏蔽电缆加以保护。电缆的屏蔽采用屏蔽电缆加以保护。电缆的屏蔽层若直接接地，则电缆芯线与屏蔽间层若直接接地，则电缆芯线与屏蔽间的电容的电容C1、C2以及传感器内阻以及传感器内阻RS1RS2形成两个积分电路，如图示：形成两个积分电路，如图示：有源屏蔽驱动电路有源屏蔽驱动电路 屏屏蔽蔽方方法法（四）、电荷放大电路（四）、电荷放大电路（一）、应用电荷放大电路的必要性（一）、应用电荷放大电路的必要性目前在力、加速度、振动、冲击等测量中广目前在力、加速度、振动、冲击等

19、测量中广泛应用压电式传感器，该传感器是将被测量泛应用压电式传感器，该传感器是将被测量转换为电荷输出的传感器。为了将传感器的转换为电荷输出的传感器。为了将传感器的电荷输出转变为电压输出，就需用电荷放大电荷输出转变为电压输出，就需用电荷放大器。该放大器的主要特点是它与压电晶体传器。该放大器的主要特点是它与压电晶体传感器连接后不影响所产生的电荷量，且测量感器连接后不影响所产生的电荷量，且测量灵敏度与电缆长度无关。而电缆长度为远距灵敏度与电缆长度无关。而电缆长度为远距离测量提供了方便。离测量提供了方便。（二）、压电式传感器（二）、压电式传感器压电式传感器可以用一个与电容压电式传感器可以用一个与电容Ck

20、、电阻、电阻Rk相并联的电荷源来等效，其中相并联的电荷源来等效，其中Rk为压电为压电元件的漏电阻。元件的漏电阻。（三）、电荷放大电路的工作原理（三）、电荷放大电路的工作原理R、C-反馈电阻、电容；反馈电阻、电容；Rk-传感器泄露电传感器泄露电阻阻Ck-传感器电容与电缆电容传感器电容与电缆电容Cc的等效电容；的等效电容；Ci-运放的输入电容；运放的输入电容；Ri-运放的输入运放的输入电阻。电阻。为了求出电荷放大器的输出为了求出电荷放大器的输出U0和输和输入电荷量入电荷量Q之间的关系，先将之间的关系，先将R和和C等效到运放的输入端，这样等效到运放的输入端，这样1/R和和C均会增大（均会增大（1+K

21、）倍（将这种效应）倍（将这种效应称为称为“密勒效应密勒效应”）二、增益调整与切换以及线性化电路二、增益调整与切换以及线性化电路（一）、增益调整电路（一）、增益调整电路1、手动增益调整电路、手动增益调整电路电路如书图电路如书图2-19所示。由所示。由“虚断虚断”、“虚短虚短”可知，可知，只要手动调整只要手动调整Rp的大小，就可以的大小，就可以改变整个电路的增益。改变整个电路的增益。2、自动增益调整电路、自动增益调整电路a图图R4uo控制信号uiVNR2R1R3AB（二）、可编程增益放大电路（二）、可编程增益放大电路1.通用运放可编程增益放大电路通用运放可编程增益放大电路图图a中，模拟开关采用中，

22、模拟开关采用P沟道结型场效应管。沟道结型场效应管。A B C D反反馈电馈电阻阻增益增益备备注注1 1 1 1R1=10K,Rf=1M1000 1 1 1R1=10K,Rf=1M并并联联1M501 0 1 1R1=10K,Rf=1M/110K101 1 0 1R1=10K,Rf=1M/20.4K21 1 1 0R1=10K,Rf=1M/10.1K1数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路附：附：CD4051模拟开关知识模拟开关知识-8通道模拟通道模拟开关（数字控制的开关（数字控制的8选选1模拟开关）是一个模拟开关）是一个16脚脚DIP封装。封装。18：I/O4、I/O6、O/I、I/O

23、7、I/O5、INH、VEE、VSS 916：A2、A1、A0、I/O3、I/O0、I/O1、I/O2、VDD 数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路INH A2 A1 A0导导通通道通通道00 0 000 0 100 1 0001 1 11任意任意无无导导通通道通通道图图a电路电路 A B C D增益增益备备注注0 1 1 1A导导通，其通，其它断开它断开1 0 1 1B导导通，其通，其它断开它断开1 1 0 1C导导通，其通，其它断开它断开1 1 1 0D导导通，其通，其它断开它断开图图b电路电路 接通的开关接通的开关R1R2KfA通通8R01AB通通4R4R2BC通通2R6R4

24、CD通通R7R8D故：电路的故：电路的 集成可编程增益放大器集成可编程增益放大器三、隔离放大电路三、隔离放大电路在某些情况下，输入电路与输出电路在某些情况下，输入电路与输出电路之间以及放大电路与电源电路之间不之间以及放大电路与电源电路之间不能有直接的电路连接，信号的耦合以能有直接的电路连接，信号的耦合以及电源电能的传递要靠磁路或光路来及电源电能的传递要靠磁路或光路来实现。放大器内部采取这种隔离措施实现。放大器内部采取这种隔离措施的叫隔离放大器。它不仅具有通用运的叫隔离放大器。它不仅具有通用运放的性能，且输入公共地与输出公共放的性能，且输入公共地与输出公共地之间有良好的绝缘性能地之间有良好的绝缘

25、性能。三、隔离放大电路三、隔离放大电路当信号回路具有很大的共模电压（数百伏当信号回路具有很大的共模电压（数百伏以至数千伏），而要求电路仍能正常工作以至数千伏），而要求电路仍能正常工作和安全使用，这时就要用到该种放大器和安全使用，这时就要用到该种放大器（如不平衡电桥的输出就会有很高的共模（如不平衡电桥的输出就会有很高的共模干扰电压存在）。普通的差动放大器和测干扰电压存在）。普通的差动放大器和测量放大器虽然也能抑制共模干扰，但却不量放大器虽然也能抑制共模干扰，但却不允许共模电压高于放大器的电源电压（正允许共模电压高于放大器的电源电压（正负负15伏左右）。而隔离放大器不仅有很强伏左右）。而隔离放大器

26、不仅有很强的共模抑制能力，而且还能承受上千伏的的共模抑制能力，而且还能承受上千伏的共模电压。共模电压。（一）、隔离放大电路的基本组成（一）、隔离放大电路的基本组成由输入放大器、输出放大器、隔离器（信由输入放大器、输出放大器、隔离器（信号耦合器件），以及隔离电源组成。号耦合器件），以及隔离电源组成。（二）、隔离放大电路的基本原理（二）、隔离放大电路的基本原理1、变压器耦合、变压器耦合2、光电耦合、光电耦合干扰为尖脉冲，时间短，一般不足以使得输出干扰为尖脉冲，时间短，一般不足以使得输出OUT随输入随输入IN的尖脉冲变化而变化，即干扰信号的尖脉冲变化而变化，即干扰信号不会通过。而有用信号都不是尖脉冲

27、，故足以使不会通过。而有用信号都不是尖脉冲，故足以使光电耦合器反应光电耦合器反应。（三）、通用隔离放大电路（三）、通用隔离放大电路1、AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器2、互补式光电耦合隔离放大电路、互补式光电耦合隔离放大电路（四）、程控增益隔离放大电路（四）、程控增益隔离放大电路附：模拟开关附：模拟开关CD4053模拟三组模拟三组2通道多路开关，通道多路开关，16脚的脚的DIP封装。封装。1-8：2(I/O)1、2(I/O)0、3(I/O)1、3(I/O)、3(I/O)0、INH、VEE、VSS 916：A2、A1、A0、1(I/O)0、1(I/O)1、1(I/O)、2(I/

28、O)、VDD 其中其中INH为低时，才有选通的通道。为低时，才有选通的通道。模拟开关模拟开关CD4053真值表真值表 输输入入导导通通道通通道备备注注INHA00A1控制控制1开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止A2控制控制2开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止A3控制控制3开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止01A1控制控制1开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止A2控制控制2开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止A3控制控制3开关开关导导通，其它两通，其它两个开关截止个开关截止1X无无导导通通道通通道总总通道关通道

29、关闭闭，3个开关均截个开关均截止止电路工作原理：电路工作原理：当当D1=1时，时，Vm=0.3V，三极管，三极管V1截截止，止，Vp=+7.5V，A0=A2=1；当当D1=0时，时，Vm-7.5V，光耦，光耦1不发光，不发光，三极管三极管V1导通，导通，Vm=-8.2=-7.5V-0.7V，Vp=0V,A0=A2=0.D2按照同样的方法控制开关按照同样的方法控制开关A1，当，当D1=1时，时，A1=1；当；当D1=0时，时，A1=0.输输入入输输出出的引的引脚脚增益增益导导通通引脚引脚D2D1A2A1A00000012115-2-14-12011011315-2-14-1310010515-1-4-511111315-1-4-3