应用电子第一章

1第一章数据放大器1．1概述现代科学技术在近些年得到的飞跃发展，与计算机科学的发展有着密切的联系。目前，计算机正以更快的速度深入到科学技术各个领域中去，随着计算机技术更为广泛的应用，必将推动科学技术向新的广度和深度进军。计算机不仅在科学计算方面是人们有力的助手，而且在数据采集和自动控制方面也起着越来越重要的作用。图1.1是一个具有计算机的数据采集系统示意图，在这样一个采集系统中，由传感器通过模拟开关送入放大器的信号，反应了对象的实际工作状态，这个信号往往是一个直流缓变的微弱信号，在送入计算机以前，必须给予充分的放大，显然这种放大必须是无失真放大，这样放大器的输出信号才能真正地反应被测对象或者被控对象的当前状况；只有这样放大的信号送入模数转换器转变成数字量，经过计算机处理得到的结果才是真实可靠的信号。如果是控制系统，按照无失真放大得到的数据进行处理并对控制对象实施控制，对象才能按预期的方式运行，所以，放大器的性能好坏，直接影响到整个系统性能的好坏。没有性能良好的放大器，就谈不上精密测量，甚至谈不上测量，因此放大器是数据采集系统的关键部件之一。图1.1数据采集系统示意图在数据采集系统中，放大器可以说是必不可少的，因为在很多情况下，被测的量并不是电量，必须通过传感器将非电量转换成电信号，这种信号是很微弱的。例如有的热电偶由温度转换得到的热电势仅为μV或mV数量级，而模/数转换器对输入信号的幅度要求高达几伏，显然必须对微弱信号进行放大。上面已经提出，传感器输出的信号不仅信号弱，而且是一个直流缓变信号，这给实际工作带来了困难。在模拟电子技术中已经指出，对于直流缓变信号不能用交流放大器进行放大，然而一般的直流放大器或者测量放大器都存在着一定的零漂问题，这样的漂移在微弱信号放大时是不允许的，因为零漂与微弱信号相比较，已经不可忽略，更为严重的是有些零漂比信号还要大，在放大器输出的信号中已不能分清哪些是信号哪些是零漂，因此在微弱信号放大器中，要求放大器具有很小的零漂。正因为信号微弱，所以在放大器接收到的信号中还经常叠加了许多干扰信号，在环境恶劣的工作条件下，干扰信号甚至大大超过有用信号，这就要求放大器具有很高的抗干扰能力，这是一2般直流放大器很难做到的。从图1.1中可以看出，数据采集系统中的放大器需要对各路信号进行放大，各路信号的对象不同，所以传感器也不一样，因而内阻也各不相同，为了保证放大器的输入信号电压不受信号源内阻的影响，放大器的输入电阻必须很大。另外，为了保证数据采集系统能够及时地测量各个数据，放大器在输入信号切换时要具有很快的反应速度，输出电压从一个稳态值到另一个稳态值的过渡时间要很短。综上所述，数据采集系统中的放大器放大的信号既不是一般的直流信号，也不是一般的脉冲信号，因此要求放大器具有直流放大的能力，并克服一般直流放大器零漂大的缺点，具有测量放大器的抗干扰能力，以及具有脉冲放大器的快速反应特性。这样一种集中了各类放大器优点，具有全面高指标的放大器叫做数据放大器。数据放大器放大对象是低电平直流缓变数据脉冲，它具有增益精度高、输入阻抗大、抗共模干扰能力强、反应速度快、低漂移、低噪声、低输出阻抗、性能稳定等这样全面的高指标和高性能。应该指出的是，数据采集系统中使用的放大器并不都是数据放大器。在有些系统中，放大器只要满足数据放大器的某些指标就行了，并非一定要采用数据放大器。当然用数据放大器代替这样系统中的放大器是完全可行的。数据放大器性能齐全，技术指标很多，这里仅介绍一些主要技术指标。一、数据放大器静态指标静态指标指的是数据放大器工作在稳态时的性能，主要指标有：增益、线性度、输入输出阻抗、共模抑制比、输出电压电流和漂移等等。1、增益类数据放大器的增益通常指的是电压增益，也叫电压放大倍数，它反应了放大器对有用输入信号的放大能力。(1)电压增益定义为输出电压Vo与差模输入电压Vi的增量的比值，即：Ad＝ΔVo/ΔVi（1.1）Ad也叫差模电压增益。除了差模电压增益以外，还有共模电压增益Ac，它指的是由输入共模电压Vc引起的输出电压Voc与共模电压Vc变化之比。Ac＝ΔVoc/ΔVc（1.2）它表征了放大器输入电路的非对称性。另外一种增益表示方法如下式所示：Ad（db）＝20lg|ΔVo/ΔVi|（1.3）Ac（db）＝20lg|ΔVoc/ΔVc|以上两种增益表示方法在本质上是一致的，互相是联系的。当ΔVo＝106，ΔVi＝1时，分别有：Ad＝ΔVo/ΔVi＝106Ad（db）＝20lg|106|＝120（db）（1.4）3(2)增益精度亦称增益准确度，其定义为：放大器面板上的增益（也就是理论上的增益）和实际增益的差值与面板增益的比，一般以百分数表示：δ＝[（A实－A面）/A面]×100％（1.5）式中A实是实际增益、A面则是面板读数。数据放大器要求的增益精度比较高，一般在1％以下。有些好的放大器的增益精度小于0.1％，数据放大器的增益精度应该根据实际需要而定，定得太高会提高放大器的制造成本。(3)增益稳定度在某种意义上来讲，增益稳定度比增益精度还要重要，只有在稳定的增益下工作，增益精度才有实际意义。增益稳定度σt定义为：在单位时间内的增益A的相对变化率：t/100%AAt（1.6）注意这里增益变化是指数据放大器参数不变的条件下，在时间间隔Δt内的变化。稳定度除了上面的定义以外，另一定义是在固定增益情况下每小时输出电压的最大变化值：maxt/dVt（伏小时）（1.7）或相对变化率：maxmaxt/ddVVt（1.8）(4)线性度理想的数据放大器具有输入输出之间严格保持线性关系的特性，在Vo~Vi平面中是一条通过原点的直线，然而实际上数放总是存在非线性的，即输出电压与输入电压之比受输入电压大小的影响，输入输出关系曲线不是直线，具有一定的畸变，线性度就是用来衡量畸变大小的，线性度的定义有两种。图1.2图1.3在图1.2中，画出了两条曲线，其中通过零点的直线是理想数放的输入输出曲线，叫做最佳曲线，另外一条曲线是实际的输入输出曲线。线性度指的是实际曲线偏离最佳曲线的程度，定义4为在满刻度的范围内，实际曲线偏离最佳曲线的误差峰值Vdmax和满刻度输出电压Vom之比的百分数：max100%domVV（1.9）所谓满刻度输出是指放大器可输出的最大电压幅度，例如±10V。如图1.3所示，线性度的另外一种定义为：实际的输入输出曲线正好在曲线1和曲线2之间，线性度为ΔVo与满刻度电压Vom之比的百分数：100%oomVV数据放大器的线性度一般在±0.1％以内。(5)共模抑制比共模抑制比是表示数放抗共模干扰的一个重要参数，它是数放差模增益Ad与数放共模增益Ac之比：||dcACMRRA或20lg||()dcACMRRdbA（1.10）共模抑制比的大小对于数据采集系统有着重要的影响。对于低电平数据采集系统，信号源的差模电压通常在几微伏到几十毫伏的范围内，而由于系统本身或者地电流等原因，共模电压竟达几伏甚至上百伏的数量级，并且共模电压在不断地变化，因此数放必须具有很高的共模抑制比，才能抑制共模电压，保证放大器的精度、稳定性和可靠性。2、阻抗(1)输入阻抗单位输入信号电压与由此产生的输入电流的比值就叫做输入阻抗iiiVZI（1.11）输入阻抗是衡量数放有效地接收信号源信息能力的指标，从被测信号微弱和多路测量这一特点出发，人们总希望输入阻抗很高，尽可能减少信号源内阻变化引起的测量误差，提高放大器的精度。(2)输出阻抗放大器的输出阻抗也是一个重要指标，它标志着数放驱动负载的能力。它的定义是单位输出电压变化与由此引起的输出电流变化的比值：oooVZI（1.12）53、漂移零漂：由电路不对称所引起的漂移。温漂：由环境温度变化所引起的漂移。时漂：随时间变化引起漂移。二、数据放大器的动态指标动态指标反应了数据放大器从一个工作状态转换到另一个工作状态时所表现出来的性能，主要的指标有：建立时间、频率幅度响应、电压上升率、过载恢复时间等。这些指标互相有一定的联系，但又具有相对的独立性，单独用一种指标来衡量数放动态性能是不确切的，也是不够的。1、建立时间如图1.4所示，数放输入端加上阶跃信号以后，输出信号总是需要经过一段时间才能稳定到它的输出值，为了衡量这一过程的长短，我们要引入建立时间ts：从阶跃信号出现，到输出电压最后进入偏离稳定值的±δ%为止，这段时间就叫做暂态响应的建立时间ts。由此可见，建立时间ts反映了放大器输出跟随输入信号变化的能力。图1.4建立时间波形图2、过载恢复时间数放用于放大微弱信号时，很有可能进入饱和区。例如数据采集系统中输入信号切换时，浮空的输入端会引入很大的干扰电压，放大器进入饱和；输入信号过大，也要引起饱和。数放饱和时，从放大器输入端接地到输出电压回到零所需要的时间就叫做过载恢复时间。很明显，当数放用于多路信号采集数据时，过载恢复时间的长短直接影响到采集装置的工作速度。3、频率幅度响应数放的频率幅度响应也称为幅频特性或频带宽度。如图1.5所示，数放在某一确定的增益参数下，对于相同的幅度，频率逐步上升的正弦波输入信号，数放的输出幅度将出现下降的趋势，数放的增益从原来的增益下降3db时的频带宽度，就是数放的通频带。6图1.5幅频特性4、电压增长率电压增长率指的是数放在单位时间内电压上升的能力，有时把它称为转移速率或电压摆率。从图1.6中可以得到电压增长率Sv的表示式：Sv＝ΔVo/Δt（伏/秒）（1.13）对电压上升能力的另外一种评价方法是上升时间，数放输入端加一阶跃信号作用，输出端从输出满幅度的10％上升到90％时所需要的时间。图1.6电压增长曲线5、噪声噪声指标通常是这样定义的，放大器输入端短路（或在输入回路中接入一定阻值后再短路）时，在输出端测得的噪声电压除以数放的增益Ad，由此得到的电压值就叫做噪声。噪声电压一般有两种表示方式，有效值表示和峰值表示。数放的噪声电压直接影响到数放的灵敏度，显然它应该远小于有用信号，直至不影响数放的正常运行。在某种意义上讲，用信噪比来衡量噪声电压对数放灵敏度的影响更为确切。信噪比是有用信号功率与噪声功率的比值。假如噪声功率比较大，然而有用信号功率更大，在这种情况下，有用信号不会被噪声淹没；相反，噪声功率虽然很小，如果信号功率更小，这时信号就会被噪声淹没，数放就无法正常工作。71．2对称组装式数据放大器对称组装式数据放大器（亦称仪用放大器）是由集成运放和一些分立元件对称组装而成的。其电路原理如图1.7所示，根据电路的对称特点，取名为对称组装式数据放大器。对称组装式数据放大器具有良好的性能，在许多领域中得到了广泛的应用，下面就对称组装式数放的原理进行定性和定量的分析。图1.7对称组装式数放原理图从图1.7可以看出，对称组装式数放是由三只集成运放A1~A3和若干电阻组成的，电路结构简单。为了便于讨论，将输入差模信号和共模输入信号分别定义为：Vid＝Vi1－Vi2Vcm＝（Vi1＋Vi2）/2（1.14）反过来，数放的差模信号Vid和共模信号Vcm也可以用输入信号Vi1和Vi2来表示：Vi1＝（Vid/2）+VcmVi2＝－（Vid/2）＋Vcm（1.15）根据对称原则，设电阻R0~R6之间具有如下关系：R11＝R1＝R2、R22＝R3＝R4、R33＝R5＝R6（1.16）从理论上讲，由于运放的开环放大系数和输入阻抗极高，运放正常工作状态下，同相端与反相端电位相同，即VC＝Vi1，VD＝Vi2，在电阻R0两端有一个电位差，这个差值就是输入信号中的差模信号，因此电阻R0上有一个仅与差模信号相关的电流I0流过，这电流流过电阻R1和R2，差模信号得到了放大；与此同时，共模信号Vcm经过运放A1和A2传递到A点和B点。由图1.7已知，在式（1.16）的假设条件下，运放A3构成了一个差分放大器，对A点和B点的电位差进行放大，所以差模信号Vid进一步得到了放大，而共模信号由于电位差为零，数放的输出电压Vo只反应了输入端的差模信号，共模信号得到了抑制。与一般的差分放大器相比，对