测控电路第2章201209PPT课件

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1、电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程第二章第二章 信号放大电路信号放大电路第一节 测量放大电路 放大传感器输出信号的放大电路称为测量放大电路，又称为仪器放大电路。 一、定义二、基本要求电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1) 阻抗匹配（传感器输出与放大电路的输入之 间须考虑其阻抗匹配）2) 稳定的放大级数3) 低噪声4) 低的输入失调电压、电流；低的漂移（注意二者之间的概念）5) 足够的带宽与转换速率（无畸变地放大瞬态信号）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程6) 高共模输入范围（如几百伏），高共模抑制比 7) 可调的闭环增益 8)

2、线性好、精度高 9) 成本低三、稳零放大电路 目的：适应微弱信号的获取（信号幅值与失调电压、噪声相当）。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 a失调电压、电流放大器自身缺陷 b漂移电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程原理：利用同步调制-解调，并由隔直电容隔离失调和低频干扰电压来实现自动稳零。（一）斩波稳零放大电路调制器隔直电容 交流 放大器解调器 方波 发生器隔直电容oViV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程过程： .将输入直流或缓慢变化的信号Vi变成交流（即调制后的信号）。 .利用交流放大器放大调制后的信号，放大倍数可设置。 .将

3、交流放大器的输出再还原成直流。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程.调制：用斩波的方法将直流信号变成交流信号，交流电的频率取决斩波的频率。措施：.解调：用低通滤波器将交流输出信号还原成直流信号。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程典型斩波稳零放大电路 ：电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 其中S1,S2:分别为模拟开关，很少为机械开关，一般为电子开关。动作相反，投切频率由驱动电路确定，至少保证与信号频率之间的关系不小于10：1。 N：主放大器。 A：交流信号放大器，要求频率宽，适应方波要求。 C3：Vi中的交流成分经过C3与R3组

4、成的高通滤波器（实际上是微分电路）直接由N放大，隔开Vi中的直流成分。 R1,C1组成低通滤波器，滤除高频信号。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电压波形图电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电工知识复习： 1）开关原理.即电容两端的电压不能突变。ERCVc(O-)=Vc(O+)2) RC电路充电过程：满足回路电压规律E=VR+VC(每时每刻都须满足) 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程RERViR)0()0(满足瞬间 REiC0Vc电压不能突变但电流可突变 随着时间推移， 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程

5、CREVViRR0)(0)()(iVEVRCRCteREi电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程ttR CR CREViReRE eR(1)tR CCRVEVEe电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程3) RC电路放电过程：当电容上充满电荷后，将输入置为零 EVVCC)0()0(0)0()0(CRVVEVVCR)0()0(所以起始电流RERViR)0()0(电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程RCteREiRCtREeiRVRCtRCEeVV放电结束时 时间常数RC 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程小结： （1）R

6、C电路中的电容的充放电都有一过渡过程，其各点电压和电流从初始值至终了值之间按指数规律变化。 （2）过渡过程长短仅与时间常数有关，与电源电压（0.1E-0.9E）无关（工程上的3RC作为充放电时间）。 （3）在充放电过渡过程结束时，流过电容支路的电流等于0，电容相当于“开路”。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程)0()0(CCVVEVC9.00 从EVC9.0RC2.3t（4）电容上电压不能跳变，,充电时间为花的时间，认为过渡过程结束。放电时间从E放到0.1E花的时间，即可，也可用电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程典型斩波稳零放大电路 ：电气与信息工

7、程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 其中S1,S2:分别为模拟开关，很少为机械开关，一般为电子开关。动作相反，投切频率由驱动电路确定，至少保证与信号频率之间的关系不小于10：1。 N：主放大器。 A：交流信号放大器，要求频率宽，适应方波要求。 C3：Vi中的交流成分经过C3与R3组成的高通滤波器（实际上是微分电路）直接由N放大，隔开Vi中的直流成分。 R1,C1组成低通滤波器，滤除高频信号。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程讨论： oVN的输入失调电压对输出的影响设： 开路调制、解调和交流放大器A的总放大倍数为N的开环放大倍数为 正确理解 “负号”含义： 是由斩

8、波开关决定，使得交流放大器的输出部分仅保留“负”半周部分。AVkV osAVVVkV 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程)(,55RRRVkVRRRVVooA115()()()oosoRVkVVkVkVRR 151150115(1)oosooosoosRVk VkVRRRVk Vk kVRRRVk kk VRR 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程115115(1)1oo so soRVk kk VRRk VVRk kRR15551(1)ososoRk kRRVVRVRkRkRR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程基本思想必须明确，

9、为了减少 osV的影响，须在运算器N的同相输入端得到一个与 oV有关的且反相的信号，使之减少 3251010,kRR2S1S的作用，中间过程的值是可人为设置的，一般 课本中A为同相放大器，不能拘泥于一个运算器，若采用反相放大器，只需注意 与 同步即可实现本电路思想。 osV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程失调电压及温漂至少减少个13数量级。能在很宽的频率范围内放大微弱的电压 信号。斩波频率可达100kHZ。效 果：低漂移高精度不足之处 电路内部有高、低通滤波器，电容量 较大，难以集成在同一芯片上。 单端输入无共模抑制能力。 放大电路的频率特性受模拟开关的频率 特性所限制

10、。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（二） 自动调零（动态校零放大电路） 知识要点： 基本思想 简图 工作过程（两个阶段） 该放大电路输出表达式 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程基本思想： 将放大器的失调电压反相记忆在记忆电容上，然后将它回送到放大器的输入端，以抵消放大器自身的失调电压。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程自动调零放大电路 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程b) 误差保持 c)调零放大输出 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学

11、院本科生课程其中，N1：主放大器，N2：误差反馈及保持。电路在一定频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，第二阶段为校零与放大。 第一阶段： 接地， 接通， 断开。 无输出， 无输入信号，只存在失调电压 的作用， 其输出为 ，再经 放大后由电容 保持，设 的失调输入电压为 ， 上寄存电压为： 1k 1N1osV1oV2N2osV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程12122Coo sVk Vk V （a）2211111(1)(1)oosCRRVVVRR（b b）121RRkp，将（b）代入（a）得：1211221212122()Cpo spCo

12、 sCpo spCo sVkk Vk Vk VVk k Vk kVk V 令从N2输出看（线性叠加观点，其开环放大倍数为k2 ）从N1输出看（线性叠加观点）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1212122212221121CpCpo so spo so so sCo sppVk k Vk k Vk Vk k Vk VVVVk kk 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程第二阶段： 开关 与信号 接通，开关 断开， 开关 接通， 有输出。电路进入信号放大状态，其等效图见图C）。iV1K1K电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程222111

13、11121112121122211(1)(1)oosCipospCipososposiosiiRRRVVVVRRRRk Vk VVRRk VVk VVRRRVVVRR 用信号叠加的观点，分析可得 ：电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程可将 忽略不计的理由是： 运放器的输入失调电压为微伏至毫伏级范围值。2osV注意： 表达式仅在开关状态为第二阶段时成立，第一阶段的输出值为零。若将第一阶段、第二阶段综合考虑, 则输出值应为平均值： ioVRRV1221TTiioVRRRRVTTTV121221221电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生

14、课程电气与信息工程学院本科生课程 分别为电子开关，其开或关状态完全取决于其控制端为高电平或低电平。 组成一典型的方波发生器， 为反相器。 共同作用在电子开关的控制端，实现其电子开关的状态控制。开关 分别由CD4066实现，控制CD4066分别 由承担实现。2121,bbaaSSSS3N4N43, NNbaSS,43, NN注意： 在 输出端还需接一 值很大的积分器，实现将输出的方波变成较平滑的直流波输出。一般采用同相跟随器与一电容组成。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程(三) 低漂移集成运放器（第四代运算放大器）机械斩波式，自动调零式的输出形式均为半周期有输出，另外半周

15、期输出为零。（由分立元件组合合成的结构）。 ）上述方案的不足之处可采用CAZ轮换自动校零方法解决。结构上是集成电路结构。 基本思想： 两只运放轮流承担输出，在不承担输出的运放上采集自身的失调电压存储在电容上。在该运放承担输出任务时，将信号与上半周存储的 共同作用，抵消承担输出功能时运放的失调输入电压的作用。CV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程）上述方案均仅能输入单端信号，不能实现双端信号的放大与处理。第四代运放器:美国型号：ICL7650,国产型号：CF7650,5G7650特点： 高增益，120-140dB失调电压影响小，0.7 高共模抑制比，130dB高输入电阻，高

16、共模抑制比，适于作差动放大。V电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程外部接线如右图： C1和C2分别为平衡补偿电容，取值为0.1usC2C1电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程内部原理图：电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程分别为模拟开关，由内部或外部时钟驱动,设计制作特点： 21aaSS21bbSS11KK1K2K 2K1, 122KK并不大，但不是一定是当时钟为高电平时， 闭合， 断开， 为误差检测与寄存阶段。 的两信号输入端被短接，仅有失调电压 和共模信号 作用并输出 。由电容 寄存，同时反馈到 的侧向输入端 ,则有： aSbS2

17、A2C2osV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程222222oo sCCoVk VkVk V2222222222211CCoosCosCkkkkVVVVVkkkk输入的共模量，在此即为iV两信号绝对公共端的电压值。22NkC22Nk的开环放大倍数 的开环共模放大倍数 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程22Nk2A)1(2k的侧向端输入时的放大倍数222222() /oCo sCCVVk VkVk 当时钟为低电平时， 断开， 闭合，为校零和放大阶段。输入信号同时作用在的输入端 ， 除输入 以及 外，在侧向端还作用着 ，所以此时的输出为：aSbS12,N

18、N2,osiVV2CV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程222222222222222()()() /oiosCCCiosCCosCCiVkVVkVk VkVVkVkk VkVkk V由此可见， 的失调电压 和共模电压 在时钟的另半周期全部被消除，达到稳零目的。 的输出通过开关 由电容 寄存，同时还输入到 的 端进行放大。 注意：由于 的作用寄存了 ，即使在 状态， 仍保持着前半周的值，故 的输出值一直是连续的，不是半周期的。2osV2oV2bS1N1A断开闭合baSS1CV1CV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程运放 的输出为：1N11112()o

19、io sCCoVkVVkVk V 111,NkkC的开环放大倍数与开环共模放大倍数 11Nk为侧向端 输入时的放大倍数 1A将 代入，得到ioVkV22112111()oio sCCoio sCCVkk kVk VkVVk Vk VkV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程211kkk式中 为整个放大器的开环放大倍数 设计 ，显然12k11kk2121211211)1(kkkkkkkkkk电路增益：为 ，开环放大倍数大幅度提高，可达140160dB, 为误差项，它由输入失调电压与共模失调电压两部分组成。111o sCCk VkV21kk电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工

20、程学院本科生课程dBkkVkVkkkVkVosososos100,12212121111约为输入失调电压： 相当于整个集成运放器的失调电压 缩小了 倍。高的共模抑制比: 由 ，可知一个放大器的输出由差动输出、共模输出、失调电压共同组成。oo dio cCo sVAVAVkV11211()oiCCo sVkk kVkVkV由于电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程212111211211)1(kCMRRkkkkkkkkkkAACMRRCCCocod可见整个共模抑制比 比 提高了 倍。CMRR1CMRR即整个集成运放的共模抑制比为: 12CMRRkCMRR电气与信息工程学院本科生

21、课程电气与信息工程学院本科生课程四、高输入阻抗放大电路明确阻抗（针对交流信号而言，并不是指输入电阻） 目的：放大器与传感器的阻抗匹配背景：某些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，达 。810电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程措施： 直接采用高输入阻抗的集成运放器。输入阻抗最高的为MOS-FET,次之FET. ，不易损坏缺点：易损坏)101(,),105.1(,66MRFETMRFETMOSii 采用相关普通运放精心设计电路达到目的。一般运放，开环状态而言，输入阻抗都较高。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（一）、自举式高输入阻抗放大电路 利用反

22、馈使 的下端电位提到与输入端等电位，来减少向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路称为“自举电路”。1R 不接入时，由于运放器自身的开环输入阻抗 较高，则总电路的输入阻抗 ，由于 ，一旦接入 与 串联后，接在运算放大器的两输入端。 2CiZ）（21RRZiniZ21,RRZZini22, CC1R电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由于“虚短”的概念， 两端对交流而言呈零电压，意味着 两端没有交流电流。故 可视为无穷大，即 。 1R1R231RRkZZiin111jwckR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（二）、自举组合电路 无论对交流信号或直流信

23、号均有较高的输入阻抗 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程其中： 均为理想运放器21NN 、1N：ioURRU13ooURRU3122（1） （2） 将（1）代入（2）得 ioUU22从（1）得 oiURRU31电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程211222121RRRRRUURUiiiioiiRRR时，当12iRURUUiiio1222即 上的电流 完全由 电路的电流 提供，放大器输入回路不向信号源索取任何电流。输入回路无电流，即 ，输入阻抗为无穷大。实际上 是不可能的，即工工艺上 1R1i2i0i21RR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学

24、院本科生课程还有偏差。 。当然放大器是理想的才有上述结果，即开环增益也不可能为无穷大 ， 也 不可能为无穷大。 MRi100iR切记： 并非放大器输入阻抗越高越好，输入阻抗高，噪声就会增大。目的是：传感器输入阻抗与放大器输入阻抗匹配即为最理想，使测量放大电路的信噪比达到最大值。 切不能大于 ，否则 呈现负值，意味着放大器会严重自激。1R2RiR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程五 高共模抑制比放大电路 传感器的输出信号伴有较大的共模电压（包含干扰电压），放大电路中就会出现共模误差。为了克服共模误差，采用差动输入集成运放器来抑制它，但是克服它是有条件的： 差动输入集成运放的

25、外接电阻完全平衡对称。运放器具有理想特性（即共模抑制比为 ）。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 ，一般的单个集成运放的共模抑制比为80dB.为了获得更高的共模抑制比，可采用多个集成运放器组成测量放大电路，共模抑制比可达100dB120dB。VCVDCMRRAAK共模抑制比的定义： 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程授课思路：从共模抑制比的定义出发 ，当整理出 。时想法表现成 的形式。从 将分别与发生关联， ，再将 与 关联的表达式直接代入（2-11）式中，再整理即可。VCVDAACMRR2564612iioVRRVRRRRVCVCDVDoVAVAV

26、22112iiCiiDVVVVVV),(),(21CDiCDiVVVVVV21,iiVV),(CDVV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程得出 的表达式后，整其为0，得出相关条件，达到此条件即实现 。VCA0VDVCVDAAACMRR（一）、双运放高共模抑制比放大电路 特点： 可做成高共模抑制比 仍然是低输入阻抗 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1）反相串联结构型双运放高共模抑制比反相串联结构型放大电路 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程25614612iioVRRVRRRRV(2-11) 当 时4251RRRR)(2116ii

27、oVVRRV对于共模部分，即有icomcomicomiVVV21icomocomVRRRRRRV)(564612电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程0564612RRRRRR564612RRRRRR6R由得出两边同除以后，变形得出下式：5412RRRR可见，这种电路的共模抑制比仅与外接电阻的对称精度有关，为使负载 相 同，选取21,iiVV4251,RRRR。此种电路的缺点是：反相输电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程入放大器输入电阻较低。2）同相串联结构电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程特点： 1）高共模抑制比 2）高输入阻抗（利

28、用同相放大器 ） )1(vviifFArZRRRRRRf3421RRRRRRAfod11121341121)1(ioVRRV电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由于 输入端虚断概念，流经 的电流与流经 的电流相等 。3R4R43RRii又由于 输入端两端电位相等， 222iiiVVV44313RoAAoRiRVVRVVi42321RVVRVVoiio得，整理得13412234)1()1(iioVRRRRVRRV（2-12） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由输入共模电压 及输入差模电压 整理 2)(21iiiCVVV12iiidVVViCiiVVV2

29、21idiiVVV12（1）（2） （1）+（2）得 idiciVVV 222222idiciVVV（3） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（1）-（2）得 idiciVVV 221221idiciVVV （4） 将（3），（4）分别代入（2-12）式中，得出：idicoVRRRRRRVRRRRV)21(21)1(3142343142（2-13） 为了获得零共模增益，0)1(3142RRRRAVC电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程即： 13412RRRR，则有： RRRRRRf3421则 RRRRRRRRRRRRAffVD1)22(21)121(2

30、1)21(2134314234结论： 此种电路有较高的共模抑制比 采用同相输入有较高的输入电阻 )1(VViifFArZ电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（二）、三运放高共模抑制比放大电路（广泛使用， 经典电路）性能一致（输入阻抗，共模抑制比，增益） 接成平衡对称差动放大器 12,NN3N高共模抑制比运放器电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程三运放高共模抑制比放大电路 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程3N：接成双端输入，单端输出的输出级， 适应接地负载的要求 。21PiiRPVViR（1） （2） 1111ioRVViR2222

31、oiRVViR（3） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程（1）=（2），得出 的表达式 ),(211iioVVV21111)1(iPiPoVRRVRRV12222)1(iPiPoVRRVRRV（3）=（2），得出 的表达式 ),(212iioVVV（4） （5） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程而将（5）-（4）整理： )(1(122112iiPooVVRRRVV（6） 另外： 的表达式也可从线性叠加的观点得出。 21ooVVPiioodRRRVVVVK2112121其差模增益 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程现在再分析 与

32、 组成的放大器。 3N6543,RRRR考虑到运放器的虚断概念，即有64RRII53RRII以及即： 64233RVRVVNNo（1） 53133RVVRVVoNNo （2） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程356502013463oRRRRVVVRRRR 5634RRRR若则5213()oooRVVVR（3） 再将 代入得出：)(1(122112iiPooVVRRRVV512213(1)()oiiPRRRVVVRR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程若 ，则有：12RRR52132(1)()oiiPRRVVVRR电气与信息工程学院本科生课程电气与信

33、息工程学院本科生课程输入级的差动输出 差模增益 共模输出 失调及漂移 均在 两端相互抵消。 PR仅与差模输入电压有关，故是有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。 电路特点： 性能一致时，21NN电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 通常取 ，以消除 偏置电流的影响。 调节 的大小，可改变增益而不影响电路的对称性。 21RR21, NNPR输入部分对于共模部分 12ici ci cVVV12NNVV故 0,0RRiiP即1, 2,00oocV共模增益，即3456RRRR,且 的共模抑制比高，则整个电路共 模抑制比就会相当大。 3N电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工

34、程学院本科生课程六、电桥放大电路 电桥常应用于电参量传感器，特别是电参量是电阻的传感器。)x(fy y 电参量，如电阻值、电容值、 电感值 x 待测量 最常见的传感器： 电阻应变式、电容式、电感式等 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程电桥放大电路重点掌握内容：1）电桥结构、原理。2）单臂、半桥差动、全桥差动输出表达式。3）分别将单臂、半桥差动、全桥差动输出各种形式与单端输入放大器，差动放大器及电桥放大电路结合，得出相应表达式。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1、电桥结构与原理 通式： abU= = aUbUUZZZUZZZ313424142313

35、24Z ZZ ZU(ZZ )(ZZ)当 =0, 电桥平衡，即电桥平衡的条件为：abU3241ZZZZ电桥放大电路 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程2、分别就单臂、半桥、全桥得出相应的表达式（设纯电阻电桥） 单臂： 10R(1)R 0RR其它 0432RRRR4U214UUab电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程半桥： 1020340RRR ,RR, RRR 2UUab0RR全桥： 401RRRR302RRRR UUab0RR电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程3、放大器为单端输入情况a)同相放大器： 电气与信息工程学院本科生课程电

36、气与信息工程学院本科生课程注意：电桥的电源是悬浮的，而b点的电位与放大器的参考点相连. abf0U)RR1(U单臂： 4U)RR1(Uf0半桥： 2U)RR1(Uf0全桥： U)RR1(Uf0电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程b)反相放大器电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程分别就三种情况，可解 bafabf0URRURRU单臂： 半桥： 全桥： 4URRUf02URRUf0URRUf0电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程4、放大器为差动输入情况（1）减法电路（传统电路）： 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由

37、桥式电路知, 单臂： 2ifab14URRU半桥： 2URRUifab 全桥： URRUifab电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程注意： a) U的公共端与放大器的公共端相连。 b) 放大器的输入共模电压的承受能力。 理论上可用，但由于减法电路的输入阻抗低，影响桥的输出，故一般不选用，尽量采用高输入阻抗的差动放大电路。 （2）三运放高共模抑制比的放大电路abifp0URR)R2R1(U电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程5、电桥放大电路a)惠氏顿单臂电桥双端信号输出电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程321iiiRUUia1RUia

38、2a031UUiRRUUaRUUaa01UURUR2RRUR2RRU1101a2UUR2RRU2RRUR2RR011101又因为 546iii电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程)1(RU0RUURUbb1bU)111RR(U1b0RRRR11U)111(UbU21UbbaUU即有 01RU1UU2RR224U1)R2R1(U210电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程只有当 1时，R R1 ，近似与 呈线性关系 4U)R2R1(U104U1)R2R1(U210电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程b）单臂线性电桥放大器单臂电桥，在前面两

39、种形式：单端输入、差动输入的放大电路中，U0与 都呈非线性关系，为了得到线性关系，可采用将变动臂放入反馈回路中。如下图所示的线性电桥放大器 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程条件： 10RRURURR321ii 20a1aRUURUUURRU)RR1(U12a12043ii 3b1bRURUU（1） 推导过程如下：结论与条件如下：电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程R1、R3组成U 的回路，即 ：322220a111113RRRRRU(1)UU(1)UURRRRRRURRRU313b （2） 将（2）代入（1），URRRRU)RRRRR)(RR1 (3

40、1231231312电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程当 时， RR3110RRRUURR)1(RRU（3） 得出输出呈线性表达 ，且这种电路量程较大，提高灵敏度可采用增大U ，但须注意不能超过运放器允许的共模电压范围。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 C)惠氏顿全桥差动电桥放大电路（补充自学）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程思路： Ua (U, U0) 发生关联，由Ua=Ub,得出U0的表达式 )U,U(U0b关联的途径由节点电流定律入手，即 654321iiiiii)1(RURUU)1(RUUiiia10aa321电气与

41、信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程a2112101U )-R(1R2R)1(RR)1(RU)1(RUR1202121a2R)1(RU)1(RU2R)1(RR)1(U1RR 1122R2R)1(R0122012211aU2R)1(R)1(RU21U2R)1(R)1(RU2RR)1(U0（1） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程654iii由 ，求Ub的表达式b11bbbU)1(R1)1(R1R1)1(RURU)1(RU)1(RUUb1U)1(R1)1(R1R1)1(RUb1UR)1(RbU)1(R1)1(R1)1(Rb1UR)1(Rb2U)1(R)1()1(

42、)1(Rb1UR)1(Rb2U)1(R)1(2RRR1 ，视第一项Ub的系数为“0”，则有 ,12UUb电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程即有 U21Ub（2） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由 ，即（1）=（2） baUU0122U2R)1(R)1(RU21U21UU2R)1(R)1(R0122U)1(R2R1U)1(R2R)1(RU212120由于 1, 1 2电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程最终得出 U)R2R1(U10电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程第二节 增益调整与切换以及线性化电路 一、

43、几种典型的放大电路及输入输出响应表达式 a)反相放大器 b)同相放大器电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程c) 两运放高共模抑制比放大电路 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程d) 三运放高共模抑制比放大电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程对于反相放大器： i120URRU 条件是：对于同相放大器： i120)URR1(U)UU)(RR1(U22iif0对于c)图:RRRRRRf2134电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 对于三运放高共模抑制比放大电路d)图: 若6543RRRR，则有)UU)(RRR1(RR

44、U22iip21350 若 RRRRR2135则有)UU)(R2R1(U22iiP0电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 二、增益调整电路（含手动和自动）（一）手动增益调整电路图2-25 手动增益调整电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程要求4只R2精确匹配 2只R1也精确匹配 12i113343012p2i24324412p2UUUUUUUURRRRUUUUUUURRRR21UU2220ii11pRRU2(1)(UU)RR由于, 将(2)-(1)解得 dip212U)RR1(RR2（1）（2）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程

45、手动调节PU可以改变增益，由于 PU处于增益表达式的分母， 呈非线性函数关系， 调整范围小于10%时， 可用此电路。 实用中，一般采用三运放高共模抑制比电路。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 （二） 自动增益调整电路 输入-输出表达式： i1342420URRRRRRU电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程利用虚断和虚短的概念，列节点方程：43221iiiii 得 iA12A0AA234U00URRUU0UURRR 将（1）式中的AU表达式代入（2）式中，得出 i1342420URRRRRRU （1）（2）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学

46、院本科生课程自动增益切换基本电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程在图中：V场效应管， 控制信号为“0”时，V导通，漏最小， 漏极电阻当控制信号为“1”时， V截止，源漏极电阻最 大。 i1342420URRRRRRU33RR 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程在图中：V场效应管， 控制信号为“0”时，V导通，漏最小， 漏极电阻当控制信号为“1”时， V截止，源漏极电阻最 大。 i1342420URRRRRRU33RR 分两种情况：K断开，相当于课本图220中的（2）图， 控制电 平为负电压，1V截止， 此时 i1420URRRU K闭合，相当于控制

47、信号为高电压，3R一端接地， 另一端通过AU点与2R 相连，由于虚短的概念，2R-UU另一端接相当于， 即等 效接地，即32R|R。 从电流流向看， 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程043232AURR|RR|RU04RURR 4323203232042A1iRRRRRURRRRURRRRU0RU )RR(RRRUR3243203 2A1i1iRUURUURU电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1i3324320RUR)RR(RRRUi134242URRRRRR 三、可编程增益放大电路（重点LH0084，其余以自学为主）放大电路的增益近似数字逻辑电路

48、由确定的程序控制，这样 的电路称为可编程增益放大 电路，亦称程控增益电路，简称PGA。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程第三节 隔离放大电路 特点： 输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共接地端。输入输出隔离,信号的转换媒介有： A 光 ; B 电磁 ; C 超声波 ; D 无线电波隔离放大电路中采用的隔离方式主要为：光与电磁耦合 技术成熟 载波带宽较窄1KHz 载波调制 体积大电磁耦合的优点 缺点 共模抑制比高 工艺复杂，

49、成本高 隔离性较好 使用不方便电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程光隔离的特点： 结构简单成本低 器件重量小体积小 转换速度快 工作带宽较宽 TTL兼容一.基本原理隔离放大器的基本组成以及符号，电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程图2-28 隔离放大电路的基本组成及符号隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等组成。Riso隔离电阻 Ciso隔离电容 Uiso隔离电压电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程IMRRU)UUCMRR11(UKUisodc1dd10CMRR1输入级共模抑制比 IMRR由输入端公共地到输出端公共地

50、的隔离层抑制比，一般都很高。 二、隔离放大器的原理框图a.变压器耦合 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 变压器耦合要点： （1）变压器只能耦合交变电动势，即变压器的放信号必定是交变信号。 （2）输入信号不论是交变还是直流信号，须先经过调制，调制后的信号频率与被输入的信号频率并不一定相同，一般是调制信号频率高。 （3）输出解调放大器环节，将变压器耦合过来的信号经过解调后，还原与被测信号波形成比例输出。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 光耦合要点： （1）输入、输出之间的信号以光媒介传输。（2）输入、输出部分不必考虑调制、解调等措施来 传输信号。 （

51、3）光电器件是有非线性，必须有措施来解决非线性 补偿误差。 b.光耦合电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程 （a）、（b）的共同特点： （1）输入与输出部分的参考点之间绝缘都很高 变压器耦合：初次级之间的绝缘层要好 光电耦合： 光耦合部分的绝缘要好。 （2）电源供应：输入放大器、输出放大器都必须有直 流电源。 一般直流电源的参考点与输出放大器的参考点相连，而前级输入放大器的电源由输出级的直流电源经振荡电路变成交流电源后经变压器耦合给前级，然后整流、滤波变成直流电，该直流电作为前级输入放大的电源，或者直接由DC-DC变换器向前级供电，所以前后级无信号也无电源的公共端相连。电气

52、与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程二.通用隔离放大电路 （一）AD277 变压器耦合隔离放大电路 （二）互补式光电耦合隔离放大器互补式光电耦合隔离放大电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1A2A1LCV2LCV 设、分别为理想放大器，、为特性完全相同的光耦器1LCV为输入、输出间的信号耦合2LCV为的非线性反馈，来弥补的非线性。32RRpR21ii21ii若 ，调整，使，一旦，则有35p0221i1R10VRRUiR10VRUi32RR ，5p01iRRURUi15p0URRRU即有：，电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程注：该电路

53、仅适于 0Ui，当 0Ui时，光耦合二极管电 流很小，不能起信号耦合作用。 光电耦合隔离放大电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程1AbUR2在电路中起了自举作用，即提高了的电位， 工作时 bUaU，由于虚断的概 念，两输入端没有电流流过， 即 R1 上没有电流流过，即 iUaU、 22bRIU， 即 22baiRIUUU而输出 430RIU，则 2243i0uRIRIUUA2I3I由于、均由I1控制， 123112IIII则有： 2142211412uRRRIRIA 若 1G2G、为同性能、同型号、同一工艺制作的双光耦，则 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院

54、本科生课程21则， 24uRRA实现了非线性补偿。 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程.调制：用斩波的方法将直流信号变成交流信号，交流电的频率取决斩波的频率。措施：.解调：用低通滤波器将交流输出信号还原成直流信号。电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程CREVViRR0)(0)()(iVEVRCRCteREi电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程由于 输入端虚断概念，流经 的电流与流经 的电流相等 。3R4R43RRii又由于 输入端两端电位相等， 222iiiVVV44313RoAAoRiRVVRVVi42321RVVRVVoiio得

55、，整理得13412234)1()1(iioVRRRRVRRV（2-12） 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程而将（5）-（4）整理： )(1(122112iiPooVVRRRVV（6） 另外： 的表达式也可从线性叠加的观点得出。 21ooVVPiioodRRRVVVVK2112121其差模增益 电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程d) 三运放高共模抑制比放大电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程利用虚断和虚短的概念，列节点方程：43221iiiii 得 iA12A0AA234U00URRUU0UURRR 将（1）式中的AU表达式代入（2）式中，得出 i1342420URRRRRRU （1）（2）电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程自动增益切换基本电路电气与信息工程学院本科生课程电气与信息工程学院本科生课程043232AURR|RR|RU04RURR 4323203232042A1iRRRRRURRRRURRRRU0RU )RR(RRRUR3243203 2A1i1iRUURUURU