1、作用作用: : 放大傳感器輸出的信號(hào)。放大傳感器輸出的信號(hào)。結(jié)構(gòu)：多種多樣結(jié)構(gòu)：多種多樣的。分立元件、集成的。分立元件、集成運(yùn)放組合運(yùn)放組合和單片和單片集成。集成。3.2 3.2 測(cè)量放大器測(cè)量放大器性能性能優(yōu)越、組合靈活優(yōu)越、組合靈活基本要求：基本要求： 輸入阻抗輸入阻抗應(yīng)與傳感器的輸出阻抗相匹配。應(yīng)與傳感器的輸出阻抗相匹配。 低低輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的漂移。輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的漂移。 高共模抑制比、高高共模抑制比、高輸入共模電壓范圍。輸入共模電壓范圍。 低噪聲低噪聲。 高度高度穩(wěn)定的閉環(huán)增益穩(wěn)定的閉環(huán)增益( (且在一定范圍內(nèi)可調(diào)且在一定范圍內(nèi)可調(diào)).). 足夠足夠的帶寬和

2、轉(zhuǎn)換的帶寬和轉(zhuǎn)換速率速率 ( (對(duì)對(duì)瞬變信號(hào)進(jìn)行無(wú)畸變放大瞬變信號(hào)進(jìn)行無(wú)畸變放大).). 線性線性好好, ,精度高。精度高。組成及組成及設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想思想： 同相并聯(lián)差動(dòng)同相并聯(lián)差動(dòng)放大器：放大器： 雙端輸入雙端輸出。雙端輸入雙端輸出。 放大差放大差模模信號(hào)；信號(hào)； 不不放大放大共模信號(hào)共模信號(hào)，1:11:1輸出。輸出。 基本差動(dòng)放大器：基本差動(dòng)放大器： 放大差模信號(hào)；放大差模信號(hào)； 抑制共模信號(hào)。抑制共模信號(hào)。圖3.2.1儀用儀用放大器放大器3.2.1 儀用放大器儀用放大器1. 基本電路分析基本電路分析同相并聯(lián)差動(dòng)同相并聯(lián)差動(dòng)放大器放大器三運(yùn)放差動(dòng)三運(yùn)放差動(dòng)放大器放大器差模電流共模電流=01

3、1）閉環(huán)增益）閉環(huán)增益圖3.2.1儀用儀用放大器放大器3.2.1 儀用放大器儀用放大器1. 基本電路分析基本電路分析第一級(jí)的差動(dòng)增益：總閉環(huán)閉環(huán)增益第一級(jí)對(duì)外部電阻無(wú)匹配要求對(duì)外部電阻無(wú)匹配要求, ,增益增益調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便。調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便。3.2.1 儀用放大器儀用放大器1. 基本電路分析基本電路分析2)共模抑制比由等效由等效模型模型3.2.1 儀用放大器儀用放大器1. 基本電路分析基本電路分析2)共模抑制比前前級(jí)級(jí)的共模增益前級(jí)共模抑制比前級(jí)共模抑制比3.2.1 儀用放大器儀用放大器1. 基本電路分析基本電路分析2)共模抑制比后級(jí)電路輸入A3的共模輸入的共模輸入產(chǎn)生的產(chǎn)生的共模輸出誤差共模輸出誤差電壓：

4、電壓：3.2.1 儀用放大器儀用放大器2)共模抑制比共模增益共模抑制比3)3)失調(diào)及漂移誤差失調(diào)及漂移誤差依據(jù)等效模型依據(jù)等效模型3)3)失調(diào)及漂移誤差失調(diào)及漂移誤差失調(diào)及漂移引入的輸出誤差：失調(diào)及漂移引入的輸出誤差：（4）總結(jié)）總結(jié) 可提高前可提高前級(jí)運(yùn)放的級(jí)運(yùn)放的共模抑制比共模抑制比 減少失調(diào)減少失調(diào)及漂移引入的輸出誤差及漂移引入的輸出誤差2. 儀用放大器共模抑制能力的進(jìn)一步研究?jī)x用放大器共模抑制能力的進(jìn)一步研究屏蔽層屏蔽層接地。接地。若兩輸入若兩輸入端對(duì)地之間的端對(duì)地之間的電容電容輸入電纜的等效電阻輸入電纜的等效電阻輸入端的對(duì)地輸入電容輸入端的對(duì)地輸入電容即由即由不相等的屏蔽電容對(duì)共模電

5、壓的分壓引起不相等的屏蔽電容對(duì)共模電壓的分壓引起的。的。等效輸入電容：等效輸入電容：則由屏蔽電容引起的共模抑制比則由屏蔽電容引起的共模抑制比共模增益：共模增益：（2 2）消除屏蔽電容的影響）消除屏蔽電容的影響解決的解決的辦法：使屏蔽辦法：使屏蔽電容電容對(duì)共模對(duì)共模電壓不分壓。電壓不分壓。屏蔽層不接地屏蔽層不接地，屏蔽，屏蔽層對(duì)層對(duì)地電壓等于共模電壓地電壓等于共模電壓，不不被電容分壓，共模電壓不被電容分壓，共模電壓不能轉(zhuǎn)化為差模電壓，故抑能轉(zhuǎn)化為差模電壓，故抑制了共模抑制比的下降。制了共模抑制比的下降。圖3.2.3共模電壓驅(qū)動(dòng)屏蔽層消除屏蔽電容影響平均值獲取電路平均值獲取電路共模電壓：共模電壓：

6、電壓跟隨電壓跟隨器：器：增強(qiáng)增強(qiáng)共模電壓的共模電壓的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)能力。3 3）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力共模自舉技術(shù)的設(shè)計(jì)思想：共模自舉技術(shù)的設(shè)計(jì)思想：圖圖3.2.4 3.2.4 共模自舉儀用放大器共模自舉儀用放大器采用采用共模共模自舉自舉技術(shù)解決技術(shù)解決使電源中性點(diǎn)浮動(dòng)使電源中性點(diǎn)浮動(dòng)至共模電壓至共模電壓，信號(hào)，信號(hào)地為共模電壓，地為共模電壓，共模共模電壓電壓作用忽略；作用忽略；差差模信號(hào)正常放大。模信號(hào)正常放大。信號(hào)地信號(hào)地3 3）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力第一級(jí)輸出：第一級(jí)共模增益第一級(jí)共模抑制比3

7、3）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力共模增益共模增益共模抑制比共模抑制比3 3）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力 形式上與沒(méi)有自舉前的CMRR完全相同 第一級(jí)的共模抑制比是沒(méi)有自舉的共模抑制比的CMRR4倍 共模抑制比大大增加3 3）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力）進(jìn)一步提高差動(dòng)放大器的共模抑制能力第二級(jí)的第二級(jí)的輸入共模輸入共模電壓：電壓：共模電壓較高共模電壓較高(12(12伏至幾百伏伏至幾百伏) )時(shí)時(shí), ,電路無(wú)法電路無(wú)法正常正常工作工作, , 采用采用高壓跟隨器高壓跟隨器。(4) (4) 第二級(jí)共模電壓對(duì)增

8、益取值的影響第二級(jí)共模電壓對(duì)增益取值的影響3. 單片集成儀用放大器單片集成儀用放大器常用：常用：Analog DeviceAnalog Device公司：公司： AD521AD521、AD524AD524、AD620AD620、AD624AD624 BURR-BROWN BURR-BROWN公司：公司： INA110INA110、INA115INA115等。等。AD620AD620：低成本、低功耗測(cè)量：低成本、低功耗測(cè)量放大器放大器3. 單片集成儀用放大器單片集成儀用放大器（1 1）基本連接基本）基本連接基本 輸出：輸出：圖3.2.5 AD620的基本連接AD620AD620：（2 2）精密）

9、精密V/IV/I轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換圖3.2.24 精密V/I轉(zhuǎn)換器將兩個(gè)電壓之差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流將兩個(gè)電壓之差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流電壓跟隨電壓跟隨基準(zhǔn)基準(zhǔn)電路的輸出負(fù)載電流電路的輸出負(fù)載電流負(fù)載電流僅與輸入差分電壓及取樣電阻有關(guān)，與負(fù)載無(wú)關(guān)，為恒流輸出。（3 3）交流共模抑制）交流共模抑制圖3.2.25 輸入電纜屏蔽層共模驅(qū)動(dòng)輸入電纜分布電容的影響輸入電纜分布電容的影響交流共模輸入信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)換成差動(dòng)交流共模輸入信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)換成差動(dòng)干擾信干擾信號(hào)號(hào)電荷放大器：輸出電壓正比于輸入電荷放大器。電荷放大器：輸出電壓正比于輸入電荷放大器。特特 點(diǎn)：點(diǎn)：1. 1. 電荷放大器的基本原理電荷放大器的基本原理3.2.23.2

10、.2電荷放大器電荷放大器圖3.2.14 壓電傳感器等效電路V V：電容上的電壓：電容上的電壓Q Q：電荷量：電荷量CqCq電容電容壓電傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電荷輸出的傳感器。測(cè)量力、加速度、振動(dòng)、沖擊等物理量。 與壓電晶體傳感器連接后不影響所產(chǎn)生的電荷量；與壓電晶體傳感器連接后不影響所產(chǎn)生的電荷量； 測(cè)量測(cè)量靈敏度與電纜的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。靈敏度與電纜的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。壓電傳感器壓電傳感器等效電路：直流等效電路：直流電源電源和阻和阻容容網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。電荷放大器和壓電傳感器的連接原理圖電荷放大器和壓電傳感器的連接原理圖密勒等效后的電路：密勒等效后的電路：圖3.2.16 電荷放大器的密勒等效圖3.2.15 電荷放

11、大器的原理圖密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)(Miller Effect)(Miller Effect)（密勒密勒定理）定理）Zin= Zf Zin= Zf * * 1/(1- A) 1/(1- A)Zout=Zf Zout=Zf * * 1/(1- 1/A) 1/(1- 1/A)等效等效橋接阻抗橋接阻抗二端口網(wǎng)絡(luò)二端口網(wǎng)絡(luò)增益增益輸入阻抗無(wú)窮大輸入阻抗無(wú)窮大輸出阻抗輸出阻抗為為零零由圖得由圖得調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)CFCF可改變可改變VoVo的大小。的大小。CFCF采用高質(zhì)量電容采用高質(zhì)量電容, , 積積分電容的要求一致。分電容的要求一致。近似得近似得2. 2. 電荷放大器的特性分析電荷放大器的特性分析電荷放大器的輸出電

12、荷放大器的輸出: :電荷量電荷量反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 有關(guān)。有關(guān)。信號(hào)頻率信號(hào)頻率當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)下限頻率下限頻率: :電荷放大器的頻率特性由運(yùn)放決定。電荷放大器的頻率特性由運(yùn)放決定。Vo與頻率無(wú)關(guān)與頻率無(wú)關(guān)上限頻率上限頻率: :利用電荷放大器的原理，測(cè)定上千伏直流高壓。利用電荷放大器的原理，測(cè)定上千伏直流高壓。設(shè)計(jì)思路：用電荷轉(zhuǎn)移電路，對(duì)高壓進(jìn)行精確的分壓。把高壓設(shè)計(jì)思路：用電荷轉(zhuǎn)移電路，對(duì)高壓進(jìn)行精確的分壓。把高壓小電容器小電容器上的電荷轉(zhuǎn)移上的電荷轉(zhuǎn)移 到低電壓到低電壓大電容器大電容器上，大電容接在運(yùn)算放大器的反饋回路中。上，大電容接在運(yùn)算放大器的反饋回路中。輸出電壓為輸出電壓為3.3.高

13、壓測(cè)量高壓測(cè)量圖3.2.11 10kV高壓測(cè)量電路原理圖測(cè)量準(zhǔn)確度要求測(cè)量準(zhǔn)確度要求C1C1和和C2C2的比值穩(wěn)定，的比值穩(wěn)定，不要求不要求是是高精度電容。高精度電容。使C2C2放電,進(jìn)行新的測(cè)量減慢電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程用于用于電橋形式傳感器，電橋形式傳感器，測(cè)量電橋失衡性。測(cè)量電橋失衡性。1.1.倒相輸入電橋放大器倒相輸入電橋放大器3.2.3 3.2.3 電橋放大器電橋放大器圖3.2.12 倒相輸入電橋放大器由電橋不平衡引起的電橋輸出電壓由電橋不平衡引起的電橋輸出電壓當(dāng)當(dāng)1R , R , 1時(shí)時(shí)列方程組列方程組解得解得缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)(1)靈敏度和電橋電阻有關(guān)。靈敏度和電橋電阻有關(guān)。 (2) (2

14、)運(yùn)放承受共模電壓運(yùn)放承受共模電壓, ,對(duì)運(yùn)放的對(duì)運(yùn)放的VicmVicm和和CMRRCMRR要求高。要求高。 共模電壓等于共模電壓等于V+V+，由于參考電壓引起的。，由于參考電壓引起的。 (3) (3)失調(diào)及漂移會(huì)引起誤差。失調(diào)及漂移會(huì)引起誤差。3. 3. 差動(dòng)輸入電橋放大器差動(dòng)輸入電橋放大器減少共模電壓引入誤差的方法：減少共模電壓引入誤差的方法： 電橋電橋的供電的供電改為平衡供電改為平衡供電 。 正原因：正原因：正正負(fù)負(fù)電源電源都在同相輸入端產(chǎn)生電位都在同相輸入端產(chǎn)生電位, ,大小近似大小近似相等，極性相等，極性相反相反, , 因因 而減小了共模而減小了共模輸入電壓。輸入電壓。3.2.4 3

15、.2.4 隔離放大器隔離放大器 輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共地。輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共地。電磁電磁( (變壓器變壓器) )隔離隔離光隔離光隔離電容隔離電容隔離隔離方式隔離方式應(yīng)用：應(yīng)用： 便攜式便攜式測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器和某些和某些測(cè)控測(cè)控系統(tǒng)系統(tǒng) ： 在在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑抑 制能力制能力傳送傳送信號(hào)；信號(hào)； 生物醫(yī)學(xué)測(cè)量：確保人體生物醫(yī)學(xué)測(cè)量：確保人體不受超過(guò)不受超過(guò)10uA10uA以上漏電流和高電壓以上漏電流和高電壓( (幾百伏至數(shù)幾百伏至數(shù) 千伏千伏) )的的危害；

16、危害； 工業(yè)：防止工業(yè)：防止因故障而使電網(wǎng)電壓對(duì)低壓信號(hào)電路因故障而使電網(wǎng)電壓對(duì)低壓信號(hào)電路( (如如電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)) )造成造成損壞；損壞； 電站電站和核電站、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等和核電站、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等。3.2.4 3.2.4 隔離放大器隔離放大器 1. 1. 基本原理基本原理輸入輸入放大器放大器輸出放大器輸出放大器隔離器隔離器隔離隔離電源電源組成：組成：特點(diǎn)： 泄漏小，電源浮置無(wú)共模電壓，有極高的共模抑制能力； 對(duì)信號(hào)進(jìn)行安全放大。公共端圖圖3.2.29 3.2.29 隔離放大器的基本組成及符號(hào)隔離放大器的基本組成及符號(hào)輸出輸出電壓電壓：未未考慮輸

17、出級(jí)的增益考慮輸出級(jí)的增益 將輸入信號(hào)將輸入信號(hào)放大放大( (或或載波載波調(diào)制調(diào)制) )，由光電耦合器變換，由光電耦合器變換成電壓或電流成電壓或電流信號(hào)，再由信號(hào)，再由輸出放輸出放大器大器放大輸出。放大輸出。2. 光隔離放大器光隔離放大器1 1）介紹）介紹 激光激光修正技術(shù)保證匹配修正技術(shù)保證匹配, ,提提 高高傳輸精度傳輸精度, , 采用采用負(fù)反饋改善線性。負(fù)反饋改善線性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：2. 光隔離放大器光隔離放大器圖3.2.30 ISO100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖工作原理：工作原理：隔離器隔離器一個(gè)一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光二極管一對(duì)一對(duì)光敏二極管光敏二極管 信號(hào)傳輸功能取決于光信號(hào)傳輸功能取決

18、于光匹配。匹配。 兩個(gè)參考電流源是為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)參考電流源是為實(shí)現(xiàn)雙極性運(yùn)算設(shè)置雙極性運(yùn)算設(shè)置的；的； 隔離放大器隔離放大器是同相放大器是同相放大器。相同光強(qiáng)相同光強(qiáng)2 2）單極性工作）單極性工作圖3.2.31 ISO100的單極性連接電路2 2）單極性工作）單極性工作圖3.2.31 ISO100的單極性連接電路輸出電壓為輸出電壓為單極性工作受到一些限制，單極性工作受到一些限制，其輸人電流必須為負(fù)，才能其輸人電流必須為負(fù)，才能使使A1A1的輸出驅(qū)動(dòng)的輸出驅(qū)動(dòng)LEDLED，這時(shí)，這時(shí)輸入電流必須比輸入電流必須比-20A-20A更負(fù)，更負(fù)，否則否則LEDLED不能繼續(xù)導(dǎo)通，不能繼續(xù)導(dǎo)通，環(huán)路也會(huì)不穩(wěn)定。環(huán)路也會(huì)不穩(wěn)定。3）雙極性工作圖3.2.32 ISO100的雙極性連接電路4 4）例：）例：隔離型隔離型420mA420mA變送器變送器輸出電流與輸入輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系電壓之間的關(guān)系為為圖3.2.34 隔離型420mA變送器輸出輸出滿度電流（滿度電流（20mA20mA）：）： 調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器R2 R2 。零點(diǎn)電流（零點(diǎn)電流（4mA4mA）：）： 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)