信號放大電路3.1基本放大電路3.2高共模抑制比放大電路 3.3低漂移放大電路3.4高輸入阻抗放大電路3.5電荷放大電路3.6電流荷放大電路3.7電橋放大電路3.8增益調(diào)整放大電路本章知識點基本放大電路高共模擬制比放大電路低漂移放大電路高輸入阻抗放大電路電荷放大電路電流放大電路電橋放大電路增益可調(diào)放大電路3.1基本放大電路3.1.1反相放大電路3.1.2同相放大電路3.1.3基本差動放大電路3.1基本放大電路測量放大電路的基本要求①測量放大電路的輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；②穩(wěn)定的放大倍數(shù)；③低噪聲；④低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變地放大瞬態(tài)信號）；⑥高共模輸入范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比；⑦可調(diào)的閉環(huán)增益；⑧線性好、精度高；⑨成本低等。3.1.1反相放大電路反相放大電路的基本形式反相放大電路的優(yōu)點是性能穩(wěn)定，因為運算放大器共模輸入電壓為零，故不存在共模噪聲，缺點是輸入阻抗比較低，但一般能夠滿足大多數(shù)場合的要求反相放大電路變形既有較高的輸入阻抗又可取得足夠的增益由于：R2遠大于R4、R5，該支路可去掉，u1為R5上的分壓，根據(jù)分壓定理：則：交流反相放大器：把放大器與濾波器（低通濾波器）設計成一體電路的低端的截止頻率由C1和R1決定，電路的高端的截止頻率由R2和C2決定反相放大電路變形3.1.2同相放大電路，輸出：輸入阻抗及輸出阻抗：低頻交流放大電路R2>>R3、R4，流經(jīng)R2的電流可忽略，增益為在同向放大器中，如果將放大器輸出完全反饋到輸入端，就構(gòu)成了一個電壓跟隨器。又稱為單位增益放大器?？勺鳛樽杩棺儞Q器或緩沖器電壓跟隨器uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時電路的輸出uo1

ui2作用時電路的輸出uo2

3.1.3基本差動放大電路共模信號

差模信號

R2uoR4uid/2R1∞-++N1R3uid/2uicui2ui13.1.3基本差動放大電路

得到：為得到最大的共模抑制比，令Auc=0，即共模輸入信號被完全抑制，此時CMRR=∞工程上為了減少器件品種和提高工藝性，常常使：此時：共模抑制比為：3.2高共模抑制比放大電路3.2.1雙運放高共模抑制比放大電路3.2.2三運放高共模抑制比放大電路3.2.3高共模隔離放大電路3.2高共模抑制比放大電路來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓(干擾電壓常為共模電壓)。一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制運放來抑制它要求：外接電阻完全平衡對稱，運放具有理想特性存在共模誤差輸出，其大小與外接電阻對稱精度有關(guān)，又于運算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)改進方法：由若干集成運放組成高共模抑制比放大電路一般運放共模抑制比80dB，而采用幾個集成運放組成的測量放大電路共模抑制比可達100~120dB。應用場合：應用于要求共模抑制比大于100dB的場合，例如人體心電測量。反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型該電路的共模抑制能力只與外接電阻的對稱精度有關(guān)，但電路的輸入阻抗低。通常為了使ui1、ui2負載相同，?。篟1=R5，R2=R43.2.1雙運放高共模抑制比放大電路ui2ui1R1R2R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N2共模信號得到了抑制同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型同相輸入、高輸入阻抗；對于N2仍然是差動放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N13.2.1雙運放高共模抑制比放大電路第一級：由同相輸入的運放N1、N2并聯(lián)組成雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路，以提高放大器的輸入阻抗；第二級：運放N3組成差動級，具有共模抑制能力。3.2.2三運放高共模抑制比放大電路第一級××取R1=R2共模抑制比當N1、N2性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R0兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，同時不要求外部電阻匹配。但為了消除N1、N2偏置電流等的影響，通常取R1=R2。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R0可以改變增益而不影響電路的對稱性。第一級第二級差動放大共模抑制比共模抑制比兩級總的共模抑制比為：兩級放大電路的共模抑制比主要取決于第一級的差動增益和第二級的共模抑制能力。選取具有高共模抑制比的集成運放N3，同時精選外接電阻，盡量使電阻匹配，匹配精度控制在0.1%內(nèi)。將輸入級的增益設計的大些，輸出級的增益設計的小些。3.2.3高共模隔離放大電路雙運放和三運放共模擬制比放大電路，受運算放大器輸入共模電壓范圍的限制（一般是運算放大器的電源電壓），在很多應用中，被測信號往往疊加在很高的共模電壓上，有時甚至達到幾千伏。在如此高共模環(huán)境下，不能使用雙運放和三運放共模擬制比放大電路。為了解決這種高電位情況，必須在輸入電路和運算放大器的輸出之間采取電隔離。什么是隔離放大電路？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？隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。例如：信號回路具有很大的共模電壓(數(shù)百伏以至數(shù)千伏)；信號回路與測試系統(tǒng)之間不易共地；強干擾、強輻射；生物儀器3.2.3高共模隔離放大電路1、基本原理組成及符號隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等組成。Riso—隔離電阻Ciso—隔離電容Uiso—隔離電壓1、基本原理CMRR1—輸入級共模抑制比

IMRR—由輸入端公共地到輸出端公共地的隔離層抑制比，一般都很高。組成及符號輸入放大器及其電源浮置，放大器輸入端浮置，泄漏電流極小，輸入端到公共端的電容和泄露都非常小，有極高的共模抑制能力，電源浮置無共模電壓。隔離放大器輸出與輸入隔離，消除了通過公共地線的干擾，大大的提高了電路的共模抑制比。電路的輸出電壓為：1、基本原理變壓器耦合被測信號經(jīng)放大并調(diào)制成調(diào)幅波后，由變壓器耦合，再經(jīng)解調(diào)、濾波、放大后輸出a)變壓器耦合浮置電源輸入調(diào)制放大器耦合變壓器輸出解調(diào)放大器輸出輸入－＋1、基本原理光電耦合輸入、輸出之間的信號以光媒介傳輸，即電—光—電。輸入、輸出部分不必考慮調(diào)制、解調(diào)等措施來傳輸信號。光電器件是有非線性，必須有措施來解決非線性補償誤差。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使用隔離放大器，在殘留電極電壓和50Hz工頻電壓干擾下，從母親心跳中提取胎兒心跳的電路1、基本原理2、通用隔離放大電路隔離電源振蕩器調(diào)制器輸入屏蔽解調(diào)器輸出屏蔽268734195＋15V－15V13121016－U100kΩ100kΩ1MΩ141115＋U∞-++N1∞-++N2AD277變壓器耦合隔離放大器光電耦合隔離放大電路前級電路N1把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電流信號，經(jīng)光耦合器VLC耦合到后級，光耦合器中的硅光敏晶體管輸出電流信號，運放N2把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。2、通用隔離放大電路互補式光電耦合隔離放大電路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+Rp)i1=i2,R2=R3

uo=(R5+Rp)ui/R1C改善頻率特性R4和C改善穩(wěn)定性∞-++N1C-10VVLC1i1R2+10V+10VVLC2i2R3R1ui-10VuoRp∞-++N2R43.9kΩR5u1R02、通用隔離放大電路封裝在一個芯片內(nèi)的光耦合器2、通用隔離放大電路3、增益可調(diào)隔離放大電路程控增益電橋隔離放大電路由傳感器電橋、隔離放大器AD277（或AD284，AD289等）、多路模擬開關(guān)和其控制電路（此兩部分稱為增益控制電路）組成。4、隔離放大電路應用舉例線性光隔離放大電路3.3低漂移放大電路3.3.1自動調(diào)零放大電路3.3.2斬波穩(wěn)零放大電路3.3.3低漂移集成運算放大器3.3低漂移放大電路某些傳感器輸出的信號電壓常在微伏級，且為直流緩變信號，漂移是一個關(guān)鍵難題。常用措施包括：(1)盡早調(diào)制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信號放大電路。許多情況下難以在傳感器內(nèi)直接調(diào)制，減小測量放大電路的電壓漂移，實現(xiàn)低漂移信號放大至關(guān)重要。常用的方法有斬波穩(wěn)零放大電路或自動調(diào)零放大電路，也可采用低漂移單片集成運算放大器。3.3.1自動調(diào)零放大電路基本設計思想：將放大器失調(diào)電壓記憶在電容上，然后將它回送到放大器輸入端，以抵消掉放大器本身的失調(diào)電壓。誤差保持調(diào)零放大輸出

電路特點電路實際上用一塊四運放(LM324,LF347等)和一塊4位模擬開關(guān)(CD4066,5G811等)組成,電路成本低.輸出電壓較穩(wěn)定；波動??；與普通放大電路相比，失調(diào)和低頻干擾降低了三個數(shù)量級適用于毫伏級的低電平放大。3.3.1自動調(diào)零放大電路3.3.2斬波穩(wěn)零放大電路為了避免直接耦合放大產(chǎn)生的零點漂移，通常用斬波放大器來放大微伏量級的信號。在斬波放大器中，輸入電壓信號變成交流電壓信號，經(jīng)過交流放大，然后再轉(zhuǎn)變成與原始輸入電壓成比例的直流電壓。3.3.3低漂移集成運算放大器輪換自動校零集成運算放大器（CAZ運算放大器）CAZ運算放大器通過模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部兩個性能一致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(tài)。a)N2處于自動校零狀態(tài)b)N1處于自動校零狀態(tài)3.3.3低漂移集成運算放大器斬波穩(wěn)零放大電路斬波穩(wěn)零集成運算放大器是一種CMOS差動式低漂移集成運算放大器。它利用動態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂零，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的缺點。3.3.3低漂移集成運算放大器圖3-20斬波穩(wěn)零集成運算放大器ICL7650原理圖斬波穩(wěn)零集成運算放大器（ICL7650)具有高增益、失調(diào)電壓影響小、高共模抑制比和高輸入電阻等優(yōu)點可用作差動放大器，是一種理想的直流集成運算放大器是一種低壓CMOS器件，電源電壓的典型值為±6V，焊接時應防止擊穿損壞，記憶電容C1=C2=0.1uf需外接，且采用漏電小的電容器替工作產(chǎn)生的尖峰電壓可用低通濾波器濾除。3.3.3低漂移集成運算放大器3.4高輸入阻抗放大電路3.4.1高輸入阻抗集成運算放大器3.4.2自舉式高輸入阻抗放大電路3.4高輸入阻抗放大電路問題提出：電路的接入不應該影響原系統(tǒng)工作狀態(tài)有些傳感器（如電容式、壓電式）的輸出阻抗很高，可達108Ω以上，這就要求其測量放大電路具有很高的輸入阻抗，不至于因為放大電路的接入使傳感器輸出信號大幅度下降。開環(huán)集成運算放大器的輸入阻抗通常都很高，但反相運算放大電路等，其輸入阻抗遠低于同相運算放大電路。

提高輸入阻抗的方法：在輸入端加電壓跟隨器，但會引入跟隨器的共模誤差采用高輸入阻抗集成運放采用由通用集成運放組成的自舉電路。3.4.1高輸入阻抗集成運算放大器采用MOS-FET作為輸入級的集成運放，如CA3140、CA3260采用FET作為輸入及的，如LF356、ALF412等CMOS型運算放大器

高輸入阻抗集成運放安裝在印刷電路板上時，會因周圍的漏電流流入高阻抗而形成干擾。通常采用屏蔽方法解決。即在運放的高阻抗輸入端周圍用導體圍住，構(gòu)成屏蔽層，并把屏蔽層接至低阻抗處。這樣屏蔽層與高阻抗之間幾乎無電位差，從而防止了漏電流的流入。Portal中的”鋪地”與屏蔽功能3.4.2自舉式高輸入阻抗放大電路何謂自舉電路?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的輸入阻抗？

事實上，測量放大電路的輸入阻抗越高，輸入端的噪聲也越大，因此并不是所有的情況都要求放大電路具有高的輸入阻抗，而應該與傳感器輸出阻抗相匹配，使放大電路的輸出信噪比達到最大。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、壓電式傳感器的測量放大電路。同相交流放大電路同相端接隔直電容C1和放電電阻R，通過加入C2，提高了同相交流放大器的輸入阻抗如果不加C2，則C1的放電電阻是R1+R2；當加上C2后，運放的兩個輸入端的交流電壓作用于R1的兩端，使R1兩端等電位，無信號電流流過R1，故對交流來說R1就可看作無窮大。uoR1R2C2C1R3∞-++ui注意：R3應與R1+R2相等，以減小失調(diào)電壓3.4.2自舉式高輸入阻抗放大電路交流電壓跟隨電路加入C2后，R1兩端的電位相同，故可將R1作為無窮大，同樣提高了放大器的輸入阻抗3.4.2自舉式高輸入阻抗放大電路自舉組合電路N1的輸入電流i1將全部由N2電路的電流i2提供，輸入回路無電流輸入電阻為：Ri=ui/i=(R1R2)/(R2-R1)當R2=R1時，Ri→∞，i2=i1

3.4.2自舉式高輸入阻抗放大電路3.5電荷放大電路3.5.1基本原理3.5.2電荷放大電路的特性3.5.3電荷放大電路實例3.5電荷放大電路電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系的測量放大電路。若N為理想工作狀態(tài)，則反相輸入端為虛"地"，直流輸入電阻很高，傳感器的輸出電荷只對反饋電容Cf充電，電容Cf兩端的電壓為:QCfuo∞-++Na)基本原理圖輸出電壓與輸入電荷量成正比，與反饋電容成反比，而與電路其他參數(shù)無關(guān)。

3.5.1基本原理實際等效電路Cs—傳感器等效電容

Rs—傳感器泄漏電阻Cc—電纜電容Ri—運算放大器的輸入電阻Ci—運算放大器的輸入電容Rf—電荷泄放電阻Cf—反饋電容3.5.1基本原理

K足夠大3.5.2電荷放大電路的特性開環(huán)電壓增益的影響當Ci可忽略，且工作角頻率ω較高時，實際電荷放大電路的相對運算誤差頻率特性輸入信號頻率趨于無窮大時下限截止頻率噪聲及漂移運算放大器的噪聲因輸入電纜電容的增大和反饋電容的減小而在輸出端引起較大的噪聲電壓。

3.6電流放大電路3.6.1基本原理3.6.2電流放大電路實例3.6.1基本原理電流放大電路：將微弱電流放大的測量電路用于電流輸出型傳感器，如光電二極管、光電池等的接口電路為使io與負載無關(guān)，電流放大器的輸出電阻Ro→∞電流放大倍數(shù)3.6.2電流放大電路實例電流—電壓—電流（放大）N1：電流—電壓N2：Howland電流泵，電壓—電流3.7電橋放大電路3.7.1單端輸入電橋放大電路3.7.2差動輸入電橋放大電路3.7.3線性電橋放大電路3.7.4電橋放大電路應用舉例3.7電橋放大電路應變片測量力PuuoR3R1R3R4R1R23.7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；由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋。應用于何種場合？電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)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(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。3.7電橋放大電路電橋放大電路的分類：單端輸入電橋放大電路差動輸入電橋放大電路線性電橋放大電路a點為虛地，ua=0令：Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ),δ=ΔR/R

Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++N3.7.1單端輸入電橋放大電路反相輸入同相輸入R+ΔRR2R1uo∞-++NRRRu3.7.1單端輸入電橋放大電路單端輸入電橋放大電路的特點放大倍數(shù)與橋路電阻無關(guān)，增益易于調(diào)整且比較穩(wěn)定；輸出電壓與橋臂電阻的相對變化率δ為非線性關(guān)系，只有當δ<<1時，uo與δ才近似按線性變化。3.7.1單端輸入電橋放大電路3.7.2差動輸入電橋放大電路當R1=R2

，R2

>>R時，利用疊加定理∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRRiiR1iR3.7.3線性電橋放大電路將傳感器構(gòu)成的可變橋臂R(1+δ)接在運算放大器的反饋回路中uoR3R2

=R(1+δ)R1uuaR1ub∞-++Nua

=ub

當R3=R時

3.8增益調(diào)整放大電路3.8.1手動增益調(diào)整放大電路3.8.2自動增益調(diào)整放