1、第二章 信號放大電路（講授4學時）一、何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？一、何謂測量放大電路？對其基本要求是什么？1、在測量控制系統中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大測量放大電路電路，亦稱儀用放大電路儀用放大電路。2、對其基本要求基本要求：輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；一定的放大倍數和穩定的增益；低噪聲；第二章 信號放大電路低的輸入失調電壓和輸入失調電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉換速率； 高共模輸入范圍和高共模抑制比；可調的閉環增益；線性好、精度高；成本低。3、測量放大電路的類型類型n按結構原理分為：n差動直接耦合式單端輸入、電橋放大、電荷放大等n

2、調制式n自動穩定式按元件制造方式：n分立元件n通用集成運算放大器n單片集成測量放大器第二章 信號放大電路4、幾個重要術語術語開環增益K閉環增益Kf差模增益Kd共模增益Kc輸入失調電壓u0s輸入失調電流I0s零點漂移共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 第二章 信號放大電路二、典型放大器的設計二、典型放大器的設計（一）反相放大器Kf= uo / ui = R2 / R1R3= R1 / R2 uoR3uiR1R2-+N1第二章 信號放大電路（二）同相放大器Kf= uo / ui = 1+R2 / R1R3= R1 / R2Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3u

3、iR1R2-+N1第二章 信號放大電路（三）交流放大器1、交流反相放大電路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直電容C3：旁路電容，防止振蕩uoR3uiR1R2-+N1C1C3交流放大器2、同相交流放大電路C1：隔直電容R3 ：C1的放電回路 R3 必須有zi =R3 使同相放大器失去高輸入阻抗的特點uoR3uiR1R2-+N1C1交流放大器3、交流電壓跟隨電路同相放大電路的特例為減小失調電流，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1交流放大器4、自舉式高輸入阻抗放大電路a)同相交流放大電路uoR1R2C2C1R3-+ui自舉電路b)交流電壓跟隨電路uouiR1R2C2C1R3-+自

4、舉電路c)自舉組合電路輸入電阻為Ri=(R1R2)/(R2-R1)當R2=R1時，Ri i2 = i1 uouii1i2R1iuo22R1R3R2-+N1-+R3N2c)自舉電路何謂自舉電路何謂自舉電路? 自舉電路自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗的電路。是不是所有情況下都要求放大電路具有高是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗？的輸入阻抗？ 高輸入阻抗電路常應用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中。如電容式、壓電式傳感器電容式、壓電式傳感器的測量放大電路。第二章 信號放大電路（四）差動放大器 什么是差動放大器？什么是差動放大器？

5、 差動放大器差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端，然后在輸出端取出二個信號的差模成分，而盡量抑制二個信號的共模成分。差動放大器 基本電路 共模與差模輸入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4ud/2R1-+N1R2ud/2uic差動放大器0R3R4ui2R1uoR2ui1等效電路ud= ui1ui2 , uic=(ui1+ ui2)/2由等效電路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，則uo=(R3/R1) ud即只對差模信號進行放大只對差模信號進行放大假設放大器只有共模信號作用時uoc

6、=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic當R1=R2，R3=R4時，uoc=0即輸出信號中無共模信號成分輸出信號中無共模信號成分差動放大器iddicCidicuKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)(21)(12121434121214340差模增益Kd共模增益KccdKKCMRR 共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc缺點：輸入阻抗低，增益調整困難，應用受限第二章 信號放大電路三、穩零放大電路三、穩零放大電路三種常用電路：（一）由通用集成運算放大器組成的斬波穩零放大電路（自學）（二）自動調零放大電路（三）低漂移單片集成運算放大器第二章 信號放大電路（

7、二）自動調零放大電路-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 電路原理圖UoC1UiR1R2K1-+N1c) 調零放大輸出K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 誤差保持自動調零放大電路 由圖a，當N3輸出高電平，Sa1、Sa2導通，電路處于失調調零狀態，見圖b。可推出： Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1 電容電容C1寄存了運算放大器寄存了運算放大器N1的失調電壓的失調電壓U0s1。 當N3輸出低電平，Sb1、Sb2導通，電路進入信號放大狀態，見圖c。可推出： Uo(R2/R1)Ui實現

8、了對失調電壓的校正，達到了自動調零的目的。實現了對失調電壓的校正，達到了自動調零的目的。1111210KUKURRUUcosi自動調零放大電路電路特點：電路特點：性能優于由通用集成運放組成的斬波穩零放大電路；輸出電壓較穩定；波動小； 電路成本低（用一塊四運放LF347和一塊4位模擬開關CD4066即可組成）；適用于毫伏級的低電平放大。作業：作業：p54, 2-8第二章 信號放大電路（三）低漂移單片集成運算放大器1、輪換自動校零集成運算放大器（CAZ運算放大器）什么是什么是CAZ運算放大器？運算放大器？ CAZ運算放大器是輪換自動校零集成運算放大器的簡稱，它通過模擬開關的切換，使內部兩個性能一致

9、的運算放大器交替地工作在信號放大和自動校零兩種不同的狀態。 問題：問題：該電路與自動調零放大電路的主要區別何在？ 什么場合下采用較為合適？CAZ運算放大器輸出C1G輸入 C2+輸入 輸出 R2-+N1-+N2R2C1GR2輸入 -+N1-+N2R2+輸入 a) N2處于自動校零狀態b) N1處于自動校零狀態C2第二章 信號放大電路2、斬波穩零集成運算放大器（ICL7650)內部調制補償電路箝位電路外時鐘輸入GSaSb時鐘輸出UiSb1Sb2Sa2C1C2Sa1A1A2UoUo2+-+N1+-+N2+-斬波穩零集成運算放大器誤差檢測和寄存階段：誤差檢測和寄存階段：時鐘為高電平，Sa1、Sa2閉合

10、，N2兩輸入端被短接，只有輸入失調電壓U0s2和共模信號Uc作用并輸出，由電容C2寄存，同時反饋到N2的側向輸入端A2，此時Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。校零和放大階段：校零和放大階段：時鐘為低電平，Sb1、Sb2閉合，輸入信號Ui同時作用到N1、N2的輸入端。N2除輸入Ui、U0s2和Uc外，在側向端A2還作用著Uc2，此時N2的輸出為Uo2=K2Ui 。N2的失調電壓U0s2和共模電壓Uc全部被消除，達到穩零目的。 斬波穩零集成運算放大器此時， Uo=(K1+ K1K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。問題：問題：該電路的增益是如何提高的？該電路的輸入失調電壓是如何

11、減小的？該電路的共模抑制比是如何提高的？該電路有哪些優點？第二章 信號放大電路四、高共模抑制比放大電路四、高共模抑制比放大電路 什么是高共模抑制比放大電路？什么是高共模抑制比放大電路？用來抑制傳感器輸出共模電壓（包括干擾電壓）的放大電路稱為高共模抑制比放大電路。應用于何種場合？應用于何種場合？應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。 高共模抑制比放大電路（一）雙運放高共模抑制比放大電路1、反相串聯結構型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2當R2/R1=R4/R5，ui1=ui2時，uo=0通常取R1=R5，R2=R4ui2ui1R1R2R4R6R5

12、R3=R1R2R7 =R4R5R6uo-+N1-+N2高共模抑制比放大電路2、同相串聯結構型uo1=(1+R2/R1) ui1(uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1為了獲得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1高共模抑制比放大電路（二）三運放高共模抑制比放大電路IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo =(uo2uo1

13、)R5 /R3 ui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3高共模抑制比放大電路（三）有源屏蔽驅動電路差 動放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4-+N2-+N3高共模抑制比放大電路什么是有源屏蔽驅動電路？什么是有源屏蔽驅動電路？將差動式傳感器的兩個輸出經兩個運算放大器構成的同相比例差動放大后，使其輸入端的共模電壓1 1地輸出，并通過輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上，即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅動，而不是接地，電纜輸入芯線和屏蔽

14、層之間的共模電壓為零，這種電路就是有源屏蔽驅動電路。應用于何種場合應用于何種場合?經常使用于差動式傳感器，如電容傳感器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測控系統中。 高共模抑制比放大電路（四）浮動電源共模自舉式放大電路作業：作業：p55，2-8，2-9u2R0uoRPN3R0u1ucA+E-Eui1ui2+-+N1-+N2+-+N4+-+N5-+uA第二章 信號放大電路五、電橋放大電路五、電橋放大電路何謂電橋放大電路？何謂電橋放大電路？由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。應用于何種場合？應用于何種場合？應用于電參量式傳感器，如電感式、電

15、阻應變式、電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 電橋放大電路（一）單端輸入電橋放大電路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na) 反相輸入R+RR2R1uoRRRu-+Nb) 同相輸入電橋放大電路（二）差動輸入電橋放大電路-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR電橋放大電路（三）線性電橋放大電路作業：作業：p55，2-12，2-13uoR3R2 = R（1+）R1uuaR1ub-+N第二章 信號放大電路六、隔離放大電路六、隔離放大電路什么是隔離放大電路？什么是隔離放大

16、電路？隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。應用于何種場合？應用于何種場合？隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統（如生物醫學人體測量、自動化試驗設備、工業過程控制系統等）中，能在噪聲環境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。 隔離放大電路（一）基本原理1、組成及符號輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuiso隔離放大電路2、原理框圖a) 變壓器耦合浮置電源輸入調制放 大 器耦合變壓器輸出解調放 大 器輸出輸入b) 光電耦合浮置電源光耦合器輸 入放大器輸 出放大器輸出輸入LEDV隔離放大電路（二

17、）通用隔離放大電路1、AD277變壓器耦合隔離放大器隔離電源振蕩器調制器輸入屏蔽解調器輸出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N2隔離放大電路 235L電源904510增益微調用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅電路10k10k1k235L電源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C 0.1F隔離放大電路2、互補式光電耦合放大電路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)uo=(R5+ Rp) ui/R1