本文格式為Word版，下載可任意編輯——電子信息系統(tǒng)中常用放大電路第八章電子信息系統(tǒng)中常用放大電路引言在電子信息系統(tǒng)中，往往需要將通過傳感器或其它途徑所采集的小信號舉行放大才能舉行運算、濾波等處理，往往也需要將信號舉行轉(zhuǎn)換或進(jìn)一步放大或功率放大。

本章將介紹幾種常用的預(yù)處理放大電路、信號轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、集告成率放大電路及鎖相環(huán)在信號轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用。

8.1預(yù)處理放大電路8.1.1儀表用放大器集成儀表用放大器，也稱為細(xì)致放大器，用于弱信號放大。

一、儀表用放大器的特點在測量系統(tǒng)中，通常都用傳感獲取信號，即把被測物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，然后舉行放大。因此，傳感器的輸出是放大器的信號源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻均不是常量，它們隨所測物理量的變化而變。這樣，對于放大器而言，信號源內(nèi)阻是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式可知，放大器的放大才能將隨信號大小而變。為了保證放大器對不同幅值信號具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就務(wù)必使得放大器的輸入電阻＞＞，愈大，因信號源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就愈小。

此外，從傳感器所獲得的信號常為差模小信號，并含有較大共模片面，其數(shù)值有時遠(yuǎn)大于差模信號。因此，要求放大器應(yīng)具有較強的抑制共模信號的才能。

綜上所述，儀表用放大器除具備足夠大的放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比。

二、根本電路集成儀表用放大器的概括電路多種多樣，但是好多電路都是在圖8.1.1所示電路的根基上蛻變而來。根據(jù)運算電路的根本分析方法，在圖8.1.1所示電路中，，，因而所以輸出電壓(8.1.1)設(shè)，那么(8.1.2)當(dāng)，由于，中電流為零，，輸出電壓?？梢?，電路放大差模信號，抑制共模信號。差模放大倍數(shù)數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高。當(dāng)輸入信號中含有共模噪聲時，也將被抑制。

三、集成儀表用放大器圖8.1.2所示為型號用INA102（AD8221）的集成儀表用放大器，圖中各電容均為相位補償電容。第一級電路由和組成，與圖8.1.1所示電路中的和對應(yīng)，電阻、和與圖8.1.1中的對應(yīng)，、與圖8.1.1中的對應(yīng)，其次級電路的電壓放大倍數(shù)為1。INA102的電源和輸入級失調(diào)調(diào)整引腳接法如圖8.1.3所示，兩個電容為去耦電容。變更其它管腳的外部接線可以變更第一級電路的增益，分為1、10、100和1000四種處境，接法如表8.1.1所示。

INA102的輸入電阻可達(dá)，共模抑制比為100dB，輸出電阻為，小信號帶寬為300kHz；

當(dāng)電源電壓±15V時，最大共模輸入電壓為±12.5V。

表8.1.1INA102集成儀表用放大器增益的設(shè)定增益引腳連接增益引腳連接16和71003和6和7102和6和710004和7，5和6四、應(yīng)用舉例圖8.1.4所地為采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計電路，測量范圍為辨識率為0.1。電路由三片面組成，如圖中所標(biāo)注。圖中、、D和構(gòu)成測量電橋，D為溫度測試元件，即溫度傳感器。電橋的輸出信號接到集成信表放大器INA102的輸入端舉行放大。構(gòu)成的電壓跟隨器，起隔離作用。電壓對比器驅(qū)動電壓表，實現(xiàn)數(shù)字化顯示。

設(shè)放大后電路的靈敏度為,那么在溫度從時，輸出電壓的變化范圍為2V，即從-0.5～+1.5V。當(dāng)INA102的電源電壓為±18V時，可將INA102的引腳②、③、④連接在一起，設(shè)定儀表放大器的電壓放在倍數(shù)為10，因而儀表放器的輸出電壓范圍為-5～+15V。根據(jù)運算電路的分析方法，可以求出、輸出電壓的表達(dá)式為(8.1.3)變更滑動端的位置可以變更放大電路的電壓放大倍數(shù)，從而調(diào)整數(shù)字電壓表的顯示數(shù)據(jù)。

8.1.2電荷放大器某些傳感器屬于電容性傳感器，如壓電式加速度傳感器、壓力傳感器等。這類傳感器的阻抗分外高，呈容性，輸出電壓很微弱；

它們工作時，將產(chǎn)生正比于被測物理量的電荷量，且具有較好的線性度。

積分運算電路可以將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量，電路如圖8.1.5所示。電容性傳感器可等效為因存儲電荷而產(chǎn)生的電動勢與一個輸出電容串聯(lián)，如圖中虛線框內(nèi)所示。、和電容上的電量q之間的關(guān)系為(8.1.4)在夢想運放條件下，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，為虛地。將傳感器對地的雜散電容C短路，消釋因C而產(chǎn)生的誤差。集成過放A的輸出電壓將式（8.1.4）代入，可得（8.1.5）為了防止因長時間充電導(dǎo)致集成運放飽和，常在并聯(lián)電阻，如圖8.1.6所示。并聯(lián)后，為了使＜＜，傳感器輸出信號頻率不能過低，f應(yīng)大于。

在實用電路中，為了裁減傳感器輸出電纜的電容對放大電路的影響，一般常將電荷放大器裝在傳感器內(nèi)；

而為了防止傳感器在過載時有較大的輸出，那么在集成運放輸入端加養(yǎng)護二極管；

如圖8.1.6所示。

8.1.3隔離放大器在遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)倪^程中，常因強干擾的引入使放大電路的輸出有著很強的干擾背景，甚至將有用信號吞噬，造成系統(tǒng)無法正常工作。將電路的輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離的放大電路稱為隔離放大器。它既可切斷輸入側(cè)和輸出側(cè)電路間的直接聯(lián)系，制止干擾混入輸出信號，又可使有用信號暢通無阻。

目前集成隔離放大器有變壓器耦合式、光電耦合式和電容耦合式三種。這里僅就前兩種電路簡樸加以介紹。

一、變壓器耦合式變壓器耦合放大電路不能放大變化緩慢的直流信號和頻率很低的交流信號。在隔離放大器中，在變壓器的輸入側(cè)，將輸入電壓與一個具有較高固定頻率的信號混合（稱為調(diào)制）；

經(jīng)變壓器耦合，在輸出側(cè)，再將調(diào)制信號恢復(fù)成原信號（稱為解調(diào)），然后輸出；

從而達(dá)成傳遞直流信號和低頻信號的目的?？梢?，變壓器耦合隔亢放大器通過調(diào)制和解調(diào)的方法傳遞信號。調(diào)制和解調(diào)技術(shù)廣泛用于無線電播送、電視發(fā)送和接收以及其它通信系統(tǒng)之中。

圖8.1.7所示為型號是AD210的變壓器耦合隔離放大器，其引腳及其功能如表8.1.2所示，為了閱讀便當(dāng)，表中引腳號與圖8.1.7所示對應(yīng)。

圖中為輸入放大電路，可以同相輸入，也可以反相輸入，分別構(gòu)成同相比例運算電路或反相比例運算電路，從而設(shè)定整個電路的增益，增益數(shù)值為1～100。的輸出信號經(jīng)調(diào)制電路與振蕩器的輸出電壓波形混合，然后通過變壓器耦合到輸出側(cè)，再經(jīng)解調(diào)電路恢復(fù)，結(jié)果通過構(gòu)成的電壓跟隨器輸出，以鞏固帶負(fù)載才能。振蕩器的輸出通過變壓器耦合到輸入側(cè)，經(jīng)電源電路變換為直流電，為和調(diào)制電路供電；

振蕩器的輸出通過變壓器耦合輸出側(cè)，經(jīng)電源電路變換為直流電，為和解調(diào)電路供電；

而振蕩器由外部供電。

表8.1.2AD210變壓器耦合隔離放大器的引腳及其功能引腳號功能引腳號功能16輸入放大電路的輸出端用于接入反應(yīng)1電路輸出端17反相輸入端2輸出側(cè)公共端19同相輸入端3輸出側(cè)正電源18輸入側(cè)公共端4輸出側(cè)負(fù)電源14輸入側(cè)正電源29外接的電源電壓15輸入側(cè)負(fù)電源30外接電源的公共端由此可見，輸入側(cè)、輸出側(cè)和持蕩器的供電電源相互隔離，并各自有公共端。這類隔離放大器稱為三端口隔離電路，其額定隔離電壓高達(dá)2500V。此外，還有二端口電路，這類電路的輸出側(cè)電源和振蕩器電源之間有直流通路，而它們與輸入側(cè)電源相互隔離。

在變壓器隔離放大器中，變壓器的制作，應(yīng)采用完量降低匝電容、使繞組嚴(yán)格對稱、在初、次級間加屏蔽等工藝手段來減小外界磁場的影響，鞏固隔離效果。

二、光電耦合式圖8.1.8所示為型號是ISO100的光耦合放大器，由兩個運放和、兩個恒流源和以及一個光電耦合器組成。光電耦合器由一個發(fā)光二極管LED和兩個光電二極管和組成，起隔離作用，使輸入側(cè)和輸出側(cè)沒有電通路。兩側(cè)電路的電源與地也相獨立。

ISL100的根本接法如圖8.1.9所示和為外接電阻，調(diào)整它們可以變更增益。若和所受光照一致，那么可以證明8.1.4放大電路中的干擾和噪聲及其抑制措施在微弱信號放大時，干擾和噪聲的影響不容忽略。因此，常用抗干擾才能和信號噪聲比作為性能指標(biāo)來衡量放大電路這方面的才能。

一、干擾的來源及抑制措施較強的干擾往往來源于高壓電網(wǎng)、電焊機、無線電放射裝置（如電臺、電視臺等）以及雷電等，它們所產(chǎn)生的電磁波或尖峰脈沖通過電源線、磁耦合或傳輸線間的電容進(jìn)入放大電路。

因此，為了減小干擾對電路的影響，在可能的處境應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源，必要時加金屬屏蔽罩；

并且在電源接入電路之處加濾波環(huán)節(jié)，通常將一個的鉭電容和一個獨石電容并連接在電源接入處；

同時，在已知干擾的頻率范圍的處境下，還可在電路中加一個適合的有源濾波電路。

二、噪聲的來源及抑制措施在電子電路中，因電子無序的熱運動而產(chǎn)生的噪聲，稱為熱噪聲；

因單位時間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)目的隨機變化而產(chǎn)生的噪聲，稱為散彈噪聲；

上述兩種噪聲的功率頻譜均為平勻的。此外，還有一種頻譜集中的低頻段且與頻率成反比的噪聲，稱為閃爍噪聲或1/f噪聲。晶體三極管和場效應(yīng)管中存在上述三種噪聲，而電阻中僅存在熱噪聲和1/f噪聲。

若設(shè)放大器的輸入和輸出信號的功率分別為和，輸入和輸出的噪聲功率為和，那么噪聲系數(shù)定義為或(8.1.6)由于，故可以將式（8.1.6）改寫為(8.1.7)在放大電路中，為了減小電阻產(chǎn)生的噪聲，可選用金屬膜電阻，且制止使用大阻值電阻；

為了減小放大電路的噪聲，可選用低噪集成運放；

當(dāng)已知信號頻率范圍時，可加有源濾波電路；

此外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可提高放大電路輸出量的取樣頻率，剔除奇怪?jǐn)?shù)據(jù)取平均值的方法，減小噪聲影響。

8.2信號轉(zhuǎn)換電路8.2.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路在操縱系統(tǒng)中,為了驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，如記錄儀、繼電器等，常需要將電壓轉(zhuǎn)換成電流；

而在監(jiān)測系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，又常將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再接數(shù)字電壓表。在放大電路中引入適合的反應(yīng)，就可實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換。

一、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖8.2.1所示為實現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換的根本原理電路。由于電路引入了負(fù)反應(yīng)，,負(fù)載電流（8.2.1）與成線性關(guān)系。由于圖8.2.1所示電路中的負(fù)載沒有接地點，因而不適用于某些應(yīng)用場合。

圖8.2.2所示為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。由于電路引入了負(fù)反應(yīng)，構(gòu)成同相求和運算電路，構(gòu)成電壓跟隨器。圖中，因此（8.2.2）將式（8.2.2）代入上式，，上的電壓所以（8.2.3）二、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路圖8.2.3所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在夢想運放條件下，輸入電阻，因而，故輸出電壓（8.2.4）應(yīng)當(dāng)指出，由于實際電路的不成能為零，所以比大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。

8.2.2細(xì)致整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，稱為整流。細(xì)致整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。整流電路的輸出留存輸入電壓的外形，而僅僅變更輸入電壓的相位。當(dāng)輸入電壓為正