同相放大器开环增益

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1、检测与控制电路基础检测与控制电路基础第第4章章 信号调理信号调理第第1讲（共讲（共4讲）讲）第第1 1讲：讲：信号调理基本概念信号调理基本概念运放特性参数运放特性参数电平转换的电路设计电平转换的电路设计第第2 2讲：讲：调制与解调调制与解调线性化的处理方法线性化的处理方法第第3 3讲：讲：信号变换电路设计信号变换电路设计第第4 4讲：讲：信号隔离信号隔离滤波器设计滤波器设计本讲主要内容 第一部分第一部分 信号调理基本概念信号调理基本概念信号调理在数字测控系统中的位置信号调理在数字测控系统中的位置数据采集单元要求：信噪比高、接口有要求数据采集单元要求：信噪比高、接口有要求被测信号：微弱、过大、有

2、噪声被测信号：微弱、过大、有噪声信号调理目的：将被测信号转换成可适合后续处理单信号调理目的：将被测信号转换成可适合后续处理单元接口的信号元接口的信号检测电路与信号调理电路一般可以合二为一，关于电检测电路与信号调理电路一般可以合二为一，关于电阻抗检测通常归结为信号调理电路阻抗检测通常归结为信号调理电路典型信号获取系统信号调理分类 电平调整：对电压信号进行放大（或衰减）线性化：非线性特性对于动态测量很不利，会导致信号波形发生畸变 线性化作用：扩大传感器相应特性的线性范围 信号形式变换：从一种形式转换为另一种形式 如V/I,I/V,f/V,f/I,V/f等 电阻抗转换 滤波和阻抗匹配 无源滤波、有源

3、滤波 阻抗匹配，减小误差电平调整 目的：得到所需的量程范围、精度、分辨率无源电平调整 实际应用中要考虑 作为前级（传感器）电路的负载，要求输入阻抗高，作为后级电路的输入端，要求输出阻抗小 大阻值电阻的精度、噪声差适用于精度要求不高的场合有源电平调整有源电平调整电路注意几点：供电电源的限制：余量、轨到轨 带宽的限制 噪声抑制 放大器其他特性的影响理想放大器的要求开环增益共模抑制比输入阻抗输出阻抗频带宽度没有温度漂移vACMRRinR0RoutBW实际运放有限开环增益输入偏置电流、输入失调电流最大差模输入电压、最大共模输入电压差模输入电阻、开环输出电阻输入失调电压温度漂移共模抑制比上升速率开环带宽

4、、单位增益带宽 （1 1）反相放大器的失调及漂移引入）反相放大器的失调及漂移引入的误差的误差 基本放大器的误差分析 根据实际运放的等效模型并对反相输入点应用KCL得：若取补偿电阻Fopbposbnfpbposin.RVRIVIRRIVVFfp/RRR 可得结果说明设置补偿电阻后可消除由平均偏置电流及其漂移的 误差影响，这也就是反相放大器要在同相输入端设置补偿电阻的原因。osFosfFinfFo)1(IRVRRVRRVbI输出误差电压为折算到输入端的误差电压 考虑最坏的情况将失调与漂移分别考虑有其中Vos、Ios分别是温度、时间、正负电源的函数。osFosfFoe)1(IRVRRVosfosFF

5、oeie)|11(IRVAAVVosfosFosfosFie)|11()|11(IRVAIRVAV共模抑制比、失调及共模抑制比、失调及其漂移引入的误差其漂移引入的误差 解之得inpbposicbnFofCMRRVRIVVVIRVVRVbnfFFfpbposicinfFoCMRR1IRRRRRIVVVRRV令输出误差电压为2)()(CMRRospfFfFbpfFfFosicinFoIRRRRRIRRRRRVVVAVosposicFinFoCMRRIRVVAVAV)CMRR(osposicFoeIRVVAVfFfFpRRRRR折算到输入端为 由于失调是可以调零的，因此考虑CMRR及失调漂移时的误差

6、电压 显然电压跟随器组态时若Rp=0，要求RF=0，这对减小定态误差是有利的，但不利于堵塞时的输入级保护。osposicieCMRRIRVVVosposicieCMRRIRVVV根据图可以得到方程组pidFooovoLoidFofin)(ZZVVVZVVZVVVAZVZVVZVVZVV 解方程组得考虑开环增益、输入阻抗、输出阻抗时的闭环增益为 式中)j()j(111voFFFAAAfFFZZA)1(/1)j(idpFoLFLFvovoZZZZZZZZZAAo)(11)j(FfFfpidZZZZZZFF（2）同相放大器开环增益、输入阻抗和）同相放大器开环增益、输入阻抗和输出阻抗引入的误差输出阻抗

7、引入的误差可列出下列方程组cidpinLoFooovoFcfidoZVZVVZVVZVZVVZVVVAZVVZVZVZVV解之得其中)j()j(111)j()j(voFFFAAAFLovovo/1)j()j(ZZZAAcpfFpid/11)j()j(ZZZZZZFF 结果说明：显然Avo越大，输入阻抗越大，输出阻抗越小，误差越小。（1）反相放大器的动态误差）反相放大器的动态误差 频域误差 反相放大器在交流工作条件下，输入信号为正弦波时，由于闭环带宽的有限性将产生幅度误差和相位误差，这就是所谓的频域误差。反相放大器的频率特性 2FBWFF)(1|)(ffAA)(tg)(FBW1Fff 当ffFB

8、W时，反相放大器的幅度绝对误差为 相位绝对误差为|)()(FFFAAfA)1)(11(2FBWFffA6FBW4FBW2FBWF)(642531)(4231)(21|ffffffA)(tg)()(FBW1FFfff当f4V（留0.5V余量）零压力输出：0.5V 差动电压转换为对地电压 高共模抑制比 高输入阻抗 低输出阻抗输入信号：33mV58mV差动输入（存在一个偏置电压）DAQ：0.54.5V信号调理：58mV-4V33mV-0.5V差动输入-单端（零偏置）高输入阻抗低输出阻抗高CMRR设计参数计算 增益：33mV*140=4.62V 58mV*140=8.12V 需要加：-4.12V偏移

9、传递函数：Vo=140*Vsensor-4.1214033585.04mVmVVVVVAiov双运放构成的电压调整电路refiioVRRRRVRRVRRRRV123423411234)1()1(2134RRRR令：有：refiioVVVRRV)(1(2134Vref产生VccRRRVrefrefrefref212（1）Vcc必须稳定（2）等效电阻必须小于R1一个数量级（3）对R1的影响不仅改变Gain，而且降低CMRR增益可调的双运放电压调整电路refiGGiGGoVRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRV1234223443411234234434)1()(令13214RRRR

10、则refiiGoVVVRRRRV）（12434-)21(带有负电压调整项的电压调整电路)()1()(241234223443411234234434ccioffrefiGGiGGoVVRRVRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRV令13214RRRR则)(-)21(2412434ccioffrefiiGoVVRRVVVRRRRV）（负零位调节 Vcc稳定 在调整时，要保证Roff为唯一可调电阻 调节顺序 确定需调节的负电压值 先调整好R4，保证增益 调节Roff Vi2的影响：因变化范围很小，通常可忽略不计（高精度时需考虑其影响）调整结束，最好用固定电阻取代可调电阻器 需注意：本电路CMRR低。)(24ccioffshiftVVRRV三运放电压调整电路shiftrefiGGiGGoVRRVRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRRRV56123422344341123423443456)1()(1）（令1563214RRRRRR则shiftrefiiGoVVVVRRRRV)(21212434（实际电路设计：输入：1mV1VADC的输入：12位，Vref=4.096V要求：100mV1V 0.1%的测量精度 10mV100mV 0.5%的测量精度 1mV10mV 1%的测量精度