测控电路--信号放大电路

测控电路2021/1/82.信号放大电路2.信号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。测量放大电路是测控电路的基本组成部分，本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置，同时考虑快与可靠。基本要求：①低噪声；②低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；③高共模输入范围和高共模抑制比；④一定的放大倍数和稳定的增益；⑤线性好；⑥输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；⑦足够的带宽和转换速率。以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。2.信号放大电路R2ui+∞-+NR1R3从灵和安全可靠出发，还需要：①可调闭环增益放大电路；②参量放大电路；③电荷放大电路；④隔离放大电路。也有利于提高精度。还需要考虑低成本。2.信号放大电路测控电路52021/1/82.信号放大电路测量放大电路的主要误差源高共模抑制比放大电路高输入阻抗放大电路低漂移放大电路电桥放大电路测控电路62021/1/82.信号放大电路隔离放大电路电荷放大电路增益可控放大电路测控电路72021/1/82.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源2.1运算放大器件的主要误差源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～数兆欧4输出阻抗010Ω～数百欧5带宽0～∞0～10Hz（或0～10kHz）6动态范围0～供电电压有限部分7输入失调电压0纳伏至毫伏8输入失调电流0皮安至微安9噪声0纳伏至微伏+∞-+N2.1测量放大电路的主要误差源2.信号放大电路采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。最主要的误差因素是噪声与失调漂移。固定的失调可以通过调整来解决。测控电路92021/1/82.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源式中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。热噪声由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源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)(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2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源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。2.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源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；（R3=R1//R2）（3）采用信号调制解调。uoR2ui+∞-+NR1R32.信号放大电路2.1测量放大电路的主要误差源1、VIO、IIO不为零时的情况输入为零时的等效电路2IOIBP)2(RIIVf11ONRRRVVNPVV)//)(2(f1IOIBRRIIIOVVNVoR2R1//Rf(IIB-IIO/2)R2VPVIO(IIB-IIO/2)(R2//Rf)fORRVR11解得误差电压)//(21)//()/1(2f1IO2f1IBIO1fORRRIRRRIVRRV))(/1(2IOIO1fORIVRRV当时，可以消除偏置电流引起的误差，此时f12//RRRIBI当电路为积分运算时，即换成电容C，则fRdtRtIdttVCRRtItVRRtv2IOIO12IOIO1fO)()(1)()()1()(时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。IOIOIV和引起的误差仍存在1、VIO、IIO不为零时的情况在许多情况下需要测量的参数是差值形状误差、位置误差、差压、温差有许多参数表面上看不是差值，实际还是差值在多数情况下外界干扰主要是共模干扰在集成电路制造中，比较容易保证的是参数的一致性2.信号放大电路2.2高共模抑制比放大电路精一、基本差动放大电路基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大电路的组合2.信号放大电路ui+∞+-NuoR1R2R312f1RRKuoui+∞-+NR1R2R312fRRK反相放大电路同相放大电路2.2高共模抑制比放大电路测控电路192021/1/8一、基本差动放大电路2.信号放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu2.2高共模抑制比放大电路独立作用原理2.信号放大电路一、基本差动放大电路i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu取R2//R1=R4//R3)(i1i212ouuRRu具有共模抑制能力。2.2高共模抑制比放大电路uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R32.信号放大电路一、基本差动放大电路实际上不可能完全做到R2//R1=R4//R3i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuiddiccid12121434ic12121434o21uKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuu2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路一、基本差动放大电路1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路二、同相串联高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1特色：1.同相输入、高输入阻抗；2.对于N2仍然是差动放大电路1i121o)1(uRRu4o2i32i1oRuuRuu1i34122i34o)1()1(uRRRRuRRu2.2高共模抑制比放大电路基尔霍夫定理2.信号放大电路二、同相串联高共模抑制比放大电路id314234ic3142o)21(21)1(uRRRRRRuRRRRu3421RRRR取34d1RRK424313241321121RRRRRRCMRRRRRR2.2高共模抑制比放大电路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1增益与共模抑制比牵连2.信号放大电路三、三运放高共模抑制比放大电路ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N32.2高共模抑制比放大电路RP调整两臂平衡2.信号放大电路0i12i11o1i22i2oRuuRuuRuuIR2i011i011o)1(uRRuRRu1i022i022o)1(uRRuRRu))(1(1i2i0211o2ouuRRRuu0211i2i1o2od1RRRuuuuK电路特点：1.输入阻抗高；2.增益调整方便；3.对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。R7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2三、三运放高共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1在信号传输中常采用屏蔽电缆当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽层之间的电容C1和C2，以及传感器和传输电缆内阻RS1和RS2将在放大器输入端形成两个积分电路。共模输入信号uic在RS1、RS2上产生jωRS1C1uic、jωRS2C2uic的压降2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路差动放大器abuicui1ui2RS1RS2C1C2uo2.2高共模抑制比放大电路引起输出端差模电压2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路coc2oc1icS22S11uuuuRCRC对于原来的电路CMRR11S22S1CRCRCMRR2.2高共模抑制比放大电路uo∞+-+N1ui2R1R5R2ui1R4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo2uo1引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。2.信号放大电路四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路2.2高共模抑制比放大电路∞+-+N1ui2R1R5R2R0R0ui1ucR4R3R3R4∞-++N2∞-++N3uo（1）差动放大器件特性不一致共模电压产生差动电压引起共模抑制比变化1212111CMRRCMRRCMRR2.信号放大电路ccc1c2uuKK五、运放器件偏离理想特性的影响121212CMRRCMRRCMRRCMRRCMRR2.2高共模抑制比放大电路cd1KCMRRKR7RPR8R3R4R6uoR5∞-++N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2∞+-+N1IR∞-++N2（2）差动放大器特性不理想共模增益同时受阻抗不匹配和运算放大器N3的有限共模抑制比影响，由阻抗不匹配引起附加共模增益运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响dRKCMRRd3KCMRR2.2高共模抑制比放大电路cd1KCMRRK2.信号放大电路五、运放器件偏离理想特性的影响（2）差动放大器特性不理想总附加共模增益比总共模抑制比311RCMRRCMRR333RRCMRRCMRRCMMRCMRRCMRR2.2高共模抑制比放大电路cd1KCMRRK某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直流缓变信号，漂移是一个关键难题。常用措施包括(1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放大电路。许多情况下难以在传感器内直接调制，减小测量放大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出，对失调电压进行校正，实现自动调零。2.3低漂移放大电路2.信号放大电路精2.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟一、自动调零放大电路2.信号放大电路2.3低漂移放大电路∞-++N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4高低2.信号放大电路2.3低漂移放大电路b)误差保持K2C1UC1Uo1R1R2K1-++N1-++N2U0s1U0s21o1022()CsUUUKo10111()sCUUUK120s120s20s210s10s11211CKKUKUUUUUKKK2.信号放大电路2.3低漂移放大电路Uo∞-++N3K1C1Sa2R2Sb2Sa1-++N1K2-++N2UiSb1R1∞-++N4时钟高低2.信号放大电路2.3低漂移放大电路i121111s01