测控电路课件第2章

2信号放大电路授课教师：王翥1•ξ2.1运算放大器的误差及其补偿•ξ2.2噪声的基础知识•ξ2.3典型测量放大电路•ξ2.4隔离放大电路2信号放大电路授课教师：王翥2ξ2.1运算放大器的误差及其补偿一、运算放大器的理想特性和实际特性序号参数名称理想值实际值1差模增益∞90～100dB以上2共模增益00dB以上3输入阻抗∞100kΩ～数兆Ω4输出阻抗010Ω～数百Ω5带宽0～∞6动态范围0～供电电压7输入失调电压0nV至mV8输入失调电流0pA至uA9噪声0nV至uV22信号放大电路授课教师：王翥3ξ2.1运算放大器的误差及其补偿需要复习的几个基本概念：1、开环增益K2、闭环增益Kf3、差模增益Kd4、共模增益Kc5、输入失调电压u0s6、输入失调电流I0s7、零点漂移8、共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc2信号放大电路授课教师：王翥4ξ2.1运算放大器的误差及其补偿1、输入失调电压u0s理想的运放是：输入电压为零时，输出电压也为零。实际上，由于电路特性的非对称性，必须在输入端加一个直流电压才会保证输出电压为零。定义：集成运算放大器输出直流电压为零时，所加的补偿电压称为输入失调电压。mV级二、失调及其补偿图2-1输入失调电压与失调电流R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u2零漂：失调电压随着时间温度变化而变化的现象叫做零漂。2信号放大电路授课教师：王翥5ξ2.1运算放大器的误差及其补偿2、输出失调电压uo二、失调及其补偿suu012o)RR1(输出失调电压：*1：放大倍数越大，输入失调电压对输出的影响就越大。*2：输入失调电压越小表示电路参数对称性越好，即：运放的特性越好。*3：对于有外接调零电位器的运放，可以首先调零。输入为零时的输出电压称之为输出失调电压uo。R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u2图2-1输入失调电压与失调电流2信号放大电路授课教师：王翥6ξ2.1运算放大器的误差及其补偿3、输入偏置电流nA级当运算放大器的输入信号为零时，其两输入端静态基极电流的平均值定义为输入偏置电流。221bbbIII二、失调及其补偿图2-1输入失调电压与失调电流R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u22信号放大电路授课教师：王翥7ξ2.1运算放大器的误差及其补偿(1)运放的输入偏置电流是不可消除的，即使是同相放大器或跟随器的输入端必须有提供输入偏置电流的通路（参考图）。(2)在设计高精度放大器或选用具有较大的输入偏置电流的运放时，必须使运放两输入端的直流通道电阻相等。ViVoACRRViVoACRViVoAC3、输入偏置电流二、失调及其补偿2信号放大电路授课教师：王翥8ξ2.1运算放大器的误差及其补偿4、输入失调电流当运算放大器的输入信号为零时，其两输入端静态基极电流的之差定义为输入失调电流。二、失调及其补偿||120bbsIII输入失调电流反映了输入级差放管输入电流的不对称程度。无外加信号（ui不存在）时，Ib1、Ib2仅作用于R2、R3，并产生压降u1、u2。R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u2图2-1输入失调电压与失调电流2信号放大电路授课教师：王翥9ξ2.1运算放大器的误差及其补偿4、输入失调电流所以：二、失调及其补偿||120bbsIIIsbbbbIRIIRuRRRIRIRu02122o2213231212o2)(,//)RR1(则：如果：输出失调电压：图2-1输入失调电压与失调电流R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u22信号放大电路授课教师：王翥10ξ2.1运算放大器的误差及其补偿4、输入失调电流二、失调及其补偿||120bbsIII由上可知,I0s不等于零时,R2越大,输出失调电压就越大，因此R2不能太大，一般取值在10-100k欧姆之间。sbbIRIIRu02122o2)(输出失调电压：R2R1R3uiRiu1u0S∞Ib1Ib2uoN+u2图2-1输入失调电压与失调电流2信号放大电路授课教师：王翥11ξ2.1运算放大器的误差及其补偿5、输入失调电压与输入失调电流的实测二、失调及其补偿开关S闭合时：R3被短路，此时输出电压为U1。起作用的电阻有R1、R2。而R2R1，所以可以认为U1由输入失调电压产生。由此可知，输入失调电压为：1R2/RU110su图2-2输入失调电压和电流的测量电路SVR2∞N++R1R3R1R32信号放大电路授课教师：王翥12ξ2.1运算放大器的误差及其补偿5、输入失调电压与输入失调电流的实测二、失调及其补偿开关S打开时：此时输出电压为U2。这时不可忽视，偏置电流在R3上的作用。而：)(12303bbsIIRIR所以，输出电压U2为：31212003121030122)/1()/1())(/1(RRRUUIIRRRUIRuRRUssss图2-2输入失调电压和电流的测量电路SVR2∞N++R1R3R1R32信号放大电路授课教师：王翥13ξ2.1运算放大器的误差及其补偿5、输入失调电压与输入失调电流的实测二、失调及其补偿参数选择：1、R2、R3增大，灵敏度增大；2、R3远小于运放的开环输入电阻；R2/R1=100，R3=100K左右，R1选择在数十欧姆。3、R3性能要稳定，要匹配；图2-2输入失调电压和电流的测量电路SVR2∞N++R1R3R1R32信号放大电路授课教师：王翥14ξ2.1运算放大器的误差及其补偿6、输入失调电压与输入失调电流的调整分为：外部调整、内部调整。外部调整：运放本身没有调整端，需要辅之于外部电路。二、失调及其补偿R2∞N++R1R3uiuouaR4RPU+15V-15Va)接入反相端R2∞N++R1uiuouaR4U+-b)接入同相端RPR3R5图2-3外部调整失调的方法2信号放大电路授课教师：王翥15ξ2.1运算放大器的误差及其补偿6、输入失调电压与输入失调电流的调整调整电压加之于反相输入端，则：二、失调及其补偿1000R4uU21214a21241421RRRRRURRRRRRRRua的大致范围为：所以为数毫伏，为数伏，式中：R2∞N++R1R3uiuouaR4RPU+15V-15Va)接入反相端2信号放大电路授课教师：王翥16ξ2.1运算放大器的误差及其补偿6、输入失调电压与输入失调电流的调整调整电压加之于同相输入端，则：二、失调及其补偿尽可能取小毫伏，则若554a545100010uRRRRRURuaR2∞N++R1uiuouaR4U+-b)接入同相端RPR3R52信号放大电路授课教师：王翥17ξ2.1运算放大器的误差及其补偿6、输入失调电压与输入失调电流的调整内部调整法二、失调及其补偿R2∞N++R1ui+EuoRa)方式一RPR3C2-EC1图2-4内部调整失调的方法R2∞N++R1ui+Euob)方式二RPR3-E2信号放大电路授课教师：王翥18ξ2.1运算放大器的误差及其补偿6、输入失调电压与输入失调电流的调整内部调整法二、失调及其补偿图2-4内部调整失调的方法R2∞N++R1ui+Euoc)方式三RPR3-EC1R2∞N++R1ui+Euod)方式四RPR3-E2信号放大电路授课教师：王翥19ξ2.1运算放大器的误差及其补偿三、转换速率和最小不失真频率所谓转换速率SR是指运算放大器的输入信号为高频正弦波、输出呈三角波时，其三角波的斜率用V/μS表示。它表示输出电压能够跟踪输入电压的能力。用下式表示：ΔtΔuSRmmaxmmmaxmaxmuUsinωtudu/dt|ωU2πfUdu/dt|SRSRf2πU若输入信号为正弦波，这时的最大变化速率为为使输出信号不失真，的值应小于或等于转换速率，所以：由此可知，最大不失真频率fmax随信号幅值的增加而减小2信号放大电路授课教师：王翥20ξ2.1运算放大器的误差及其补偿四、运放的振荡与相位补偿略a）电路图RCuoui00.1fpfp10fp-20-40b）幅频特性fK/dB图2-6运算放大器的频率特性00.1fpfp10fp-45-90c）相频特性f图2-5具有反馈的运算放大器放大K倍反馈β倍uouioouiuf2信号放大电路授课教师：王翥21ξ2.1运算放大器的误差及其补偿四、运放的振荡与相位补偿略∞N++R2R1RLuoCoCLCiui图2-7由RC组合网络引起的振荡2信号放大电路授课教师：王翥22ξ2.1运算放大器的误差及其补偿四、运放的振荡与相位补偿略fz10fz0.1fz0-20-40b）幅频特性0.1fz+90+450fz10fzffc）相频特性图2-8相位超前环节的频率特性K/dBa）电路图RCuiuo2信号放大电路授课教师：王翥23ξ2.1运算放大器的误差及其补偿四、运放的振荡与相位补偿略C2Cia）补偿原理uoui∞N++R1R2图2-9相位补偿电路uouiCLR2R1∞++NR0b）有容性负载时的接法+R3C1R4uiuo∞N++R1R2R5c）补偿电容的实用接法C22信号放大电路授课教师：王翥24ξ2.2噪声的基础知识式中k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T——导体的绝对温度（K）；B——测量系统的噪声带宽(Hz)；R——导体阻抗的实部(Ω)。kTRBtU4)(t噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常：把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。**噪声与干扰的区别热噪声是由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声：一、噪声的种类与性质2信号放大电路25ξ2.2噪声的基础知识低频噪声与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声式中：k1——与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；I——工作电流(A)；a、b——由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.8~1.5，a通常为1；f——工作频率(Hz)。baffIktU12)(一、噪声的种类与性质授课教师：王翥2信号放大电路ξ2.2噪声的基础知识散弹噪声流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续的，而是脉冲性质的，电流的方均值或方均根值不为零式中：q——电子电荷，为1.59×10-19C；IDC——直流电流(A)；B——测量系统的噪声带宽(Hz)。BqIIDCsh2一、噪声的种类与性质授课教师：王翥262信号放大电路ξ2.2噪声的基础知识•减小噪声影响的主要措施（1）采用噪声小的器件；（2）采用信号调制解调与滤波，限制通频带；（3）采用屏蔽措施；（4）采用高共模抑制比电路。二、处理放大器噪声的方法授课教师：王翥272信号放大电路ξ2.2噪声的基础知识减小漂移影响的主要措施（1）采用低漂移放大电路；（2）合理设计偏置电路；（3）采用信号调制解调。二、处理放大器噪声的方法授课教师：王翥282信号放大电路授课教师：王翥29ξ2.3典型测量放大电路何谓测量放大电路？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。2信号放大电路授课教师：王翥30ξ2.3典型测量放大电路设计测量放大电路的基本思路：1、系统层次（1）系统增益的确定和分配；（2）系统带宽；（3）系统噪声和分配；（4）与传感器接口形式或前置放大器的形式；（5）输入信号的特点与对输出信号的要求；（6）输入阻抗与输出阻抗；（7）电源、体积、环境温度等使用条件；（8）成本、工艺等。2信号放大电路授课教师：王翥31ξ2.3典型测量放大电路设计测量放大电路的基本思路：2、单元层次（1）三种基本形式的放大电路：同相放大电路、反相放大电路和基本差动放大电路；（2）特殊的放大器；（3）集成放大器；3、元件层次（1）运算放大器的选择（2）其他阻容元件的选择；2信号放大电路授课教师：王翥32ξ2.3典型测量放大电路一、测量放大电路的基本要求与类型1、测量放大电路的基本要求（1）输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；（2）稳定的放大倍数；（3）低噪声；（4）低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；（5）足够的