智能仪器设计基础课件III正式.ppt

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1、智能仪器设计基础（三）,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1 运算放大器的原理及应用,运算放大器的电子学基础,1,运算放大器的非理想特性,3,运算放大器的噪声,4,运算放大器的典型应用电路,2,商用运放的种类和特点,5,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.1 运算放大器的电子学基础,N沟道MOSFET,b,c,e,NPN三极管,共射极放大,（1）直流工作点设计动态范围：Vcc/2功率消耗：Vcc*Ic（2）交流小信号特性分析微变等效电路：输入阻抗：输出阻抗：电压放大倍数：负载效应：,（1）接收单端信号输入，动态范围取决于电源范围和直流工作点（2）具有电压放大能力，该能力与负载相关（3）具有较低的

2、输入阻抗，不利于直接连接信号源（4）具有较高的输出阻抗，带负载能力有限 结论不理想的放大器,（1）接收单端信号输入，动态范围取决于电源范围和直流工作点（2）不具有电压放大能力（3）具有较高的输入阻抗，有利于直接连接信号源（4）具有较低的输出阻抗，带负载能力较好 结论较理想的阻抗变换器,共集电极放大电路（射极跟随器）,（1）直流工作点设计动态范围：Vcc/2功率消耗：Vcc*Ic（2）交流小信号特性分析微变等效电路：输入阻抗：输出阻抗：电压放大倍数：负载效应：,单端信号放大的问题,单端信号：信号的参考为直流电源的地,单电源供电单端放大器,双电源供电单端放大器,信号变换的四端口原理，有源变换电路,

3、差分放大器,镜像电流源偏置差分放大器,恒流源有限的直流内阻，无穷大的交流内阻,发射极电阻RE被恒流源取代交流共模输入阻抗极大的提高,直流工作点不受影响,差模输入阻抗不受影响,镜像电流源,Wilson 镜像电流源,基本恒流源,典型的恒流源电路,恒流源构成的锯齿波发生电路,（工作于临界饱和点附近的电流源）,（克服不理想恒流特性的电流源）,压降被钳位,带有源镜像电流源负载差分放大器（BJT）,带有源镜像电流源负载差分放大器（JFET）,简单的两级运放,集电极RC被恒流源取代增益的极大提高,JFET作为运放输入级无直流偏置电流,运放的思想：（1）差分输入（2）共模抑制（3）极高的增益（4）极高的输入阻

4、抗（5）较低的输出阻抗,3.1.2 运算放大器的理想特性,基本参数（开环参数）增益很高的差分放大器 电压增益 auA741:200V/mV(106dB)OP-77:12V/uV(141.6dB)共模输入阻抗rc 差分输入电阻 rd 输出电阻 ro 理想运算放大器,第三讲 智能仪器的前向通道,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.3 运算放大器的负反馈连接,基本运算放大器电路（1）,跟随器,反相放大器,同相放大器,第三讲 智能仪器的前向通道,单电源或双电源,单电源或双电源,双电源,基本运算放大器电路（2）,电流-电压变换器,高灵敏度电流-电压变换器,第三讲 智能仪器的前向通道,电压-电流变换器1（

5、负载浮动）,电压-电流变换器2（负载浮动）,改进：可采用双运放实现简单的设计,基本运算放大器电路（3）,第三讲 智能仪器的前向通道,负阻转换器（NIC）,电压-电流变换器3（Howland电流泵，负载接地）,电流源工作条件,电荷放大器,基本运算放大器电路（4）,反相加法器,第三讲 智能仪器的前向通道,同相加法器,差分放大器,三运放仪表放大器（电桥和可编程运放）,基本运算放大器电路（5）,第三讲 智能仪器的前向通道,信号的共模与差模,（1）共模信号与差模信号的测量逻辑上总是三端测量，两个信号端与一个参考端；（2）差模信号与信号的参考无关，它们总是两个信号端之间的差；（3）共模信号则取决于其参考，

6、不同的参考具有不同的共模信号幅值；（4）共模信号与差模信号不仅是电压信号，也可以是电流信号；,3.1.5基于运算放大器的滤波器（1）,第三讲 智能仪器的前向通道,一阶有源滤波器,稳定条件？,积分器,微分器,Holand积分器,带增益低通,带增益高通,带增益带通,移相器,3.1.5基于运算放大器的滤波器（2）,第三讲 智能仪器的前向通道,二阶有源滤波器,二阶系统的频域表达,低通响应,（1）二阶响应，使得高频渐近线陡度增加了两倍的斜率（2）对 附近的幅度形状调节增加了自由度（3）Q=0.707，成为巴特沃斯响应，该曲线最接近理想陡峭模型,3.1.5基于运算放大器的滤波器（3）,第三讲 智能仪器的前

7、向通道,二阶有源滤波器,高通响应,带通响应,3.1.5基于运算放大器的滤波器（4）,第三讲 智能仪器的前向通道,二阶有源滤波器,（1）二阶无源RC滤波器的频率特性（2）Q0.5，通带截止频率受到限制,（1）KRC低通（2）对Q具有参数调整能力（3）高Q有利于信号频率与截止频率接近的场合（4）常采用等值元件来设计,3.1.5基于运算放大器的滤波器（5）,第三讲 智能仪器的前向通道,二阶有源滤波器,KRC高通,KRC带通,多重反馈低通,多重反馈带通,3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（1）,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（2）,第三讲 智能仪器的

8、前向通道,问题：受控电流源反向，则电路将如何变化？,3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（3）,第三讲 智能仪器的前向通道,通用阻抗转换器（GIC）,（1）接地电感：Z2（或Z4）选择电容，其它Z选择电阻（2）接地频变电阻：Z1和Z5选择电容，其它Z选择电阻（3）有源电路实现阻抗并不如实际的电阻、电感性能更好，存在温漂和响应速度,3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（4）,第三讲 智能仪器的前向通道,可调阻抗的通用实现方法,可调电阻,3.1.6 运算放大器的受控源特性与电路求解（5）,第三讲 智能仪器的前向通道,可调电容,可调电感,3.1.6 运算放大器的非理想特性（1）,第三

9、讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的非理想特性（2）,输入偏置电流IB实际运放输入引脚吸收的少量电流NPN BJT或P沟道JFET:I+,I-流入运放PNP BJT或N沟道JFET:I+,I-从运放中流出 输入失调电流Ios,第三讲 智能仪器的前向通道,第三讲 智能仪器的前向通道,输入偏置电流和失调电流引起的误差,3.1.6 运算放大器的非理想特性（3）,3.1.6 运算放大器的非理想特性（4）,第三讲 智能仪器的前向通道,输入失调电压Vos将运放的同反向端短接，运放的非零输出误差模型：热漂移：,温度系数,第三讲 智能仪器的前向通道,输入失调电压引起的误差,3.1.6 运算放大器的

10、非理想特性（5）,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的非理想特性（6）,共模抑制比（CMRR）运放的差分放大倍数与共模放大倍数之比误差模型：当运放的差分输入为零，而由共模电压或共模电压的变化引起运放的非零输出,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的非理想特性（7）,电源抑制比（PSRR）运放供电电压的变化引起运放输出的变化误差模型：,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的非理想特性（8）,输入摆动引起的失调电压实际运放的开环增益a是总是有限的反馈为有差系统误差模型：非理想运放的总失调考虑前述各项因素后的总失调误差模型：,第三讲 智能仪器的前向通道,3

11、.1.6 运算放大器的动态特性限制（1）,运算放大器只能从直流到某一个给定的频率范围内提供高增益，超过这个频率，增益就会随着频率的增加而下降，并且输出相对于输入来说还会有一个延时。,单位增益频率,增益带宽积,闭环带宽,全功率带宽,上升时间,转换速率,建立时间,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（2）,一个运算放大器的开环响应可能会很复杂，但是常见的运放为了稳定它们的特性，防止产生不需要的振荡，在芯片上集成了若干补偿元件，成为内部补偿的运算放大器，因此其开环特性仅受到一个低频极点的控制。,直流增益（低频增益）,主极点频率,米勒效应倍增性质,第三讲 智能仪器的前向通道

12、,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（3）,一个运算放大器的开环响应除了含有Req和Ceq产生的主极点，一般还含有高阶零点和高阶极点，它们是由于组成不同级的晶体管所产生的。主极点频率故意选择很低，是为了确保在高阶根频率时，增益已经完全下降到单位增益以下，因此可以忽略其影响。,内部补偿运放的开环传递函数,单位增益频率,幅频特性穿越0dB时的频率，由于ftfb,则,增益带宽积,内部补偿运放具有恒定的GBP，GBP=ft,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（4）,考虑动态限制的运放的闭环响应,跟随器,反相放大器,同相放大器,运放动态性能的限制会引起闭环响应的幅度误差和

13、相位误差负反馈降低了开环增益，但是扩展了带宽，称为扩频带技术负反馈对于相位误差也具有改善作用,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（5）,运放的暂态响应,测试电路跟随器,上升时间,线性小信号参数，测试条件：,小信号方波输入，输出从10%上升到90%的输入幅值所需时间,转换速率（Slew Rate）,逐渐提高输入方波信号的幅值，则响应的斜率会随之增加,当输入方波信号的幅值高于某临界值，响应的斜率将出现饱和,这个饱和于某个常数的斜率称为运放的转换速率SR（V/us）,非线性大信号参数，测试条件：,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（6）,运

14、放的暂态响应,测试电路跟随器,无论何时采取措施试图超越运放的SR能力，SR的限制作用都会使信号失真,如果要在高的频率条件下工作，就必须将Vom保持在足够低的水平来避免失真,最大幅度依赖于具体的运放SR、供电电源以及运放的输出饱和值,全功率带宽,正弦信号输出：,不失真条件：,FPB:运放能够产生具有最大可能幅度的无失真交流输出时的最大频率,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.6 运算放大器的动态特性限制（7）,运放的暂态响应,测试电路,大输入阶跃响应从原点出发一直到开始稳定并保持在一个给定的误差范围内所需要的时间。,建立时间,大信号阶跃响应的三个阶段：（1）高阶极点引起的初始传输延时；（2）受S

15、R限制的变化；（3）从与SR相关的过载状态中恢复，产生振铃；,典型的ts测试电路：（1）R3和R4组成虚地的电路，理想情况下 vFG=0（2）实际上，由于运放产生的瞬变现象，vFG会瞬时偏离零值（3）通过观察vFG偏离量可以来测量ts（4）肖特基二极管的作用是防止测量用输入放大器饱和,（1）元件引线尽量短；（2）采用金属膜电阻，避免使用绕线式电阻；（3）供电电源的旁路；（4）给输入、负载和反馈网络提供独立的接地回路,为了充分实现运放建立时间的能力，必须适当注意元器件的选择，布局和接地；否则会使精心设计的运放失去意义！,第三讲 智能仪器的前向通道,干扰噪声：电路与外界或电路自身的不同部分之间多余

16、的相互作用产生的噪声 机-电噪声：声音，光，振动等（通过传感器后变换成电噪声）电力线路的频率和它的谐波 无线电，射频发生设备 机械开关电弧，高压放电 电抗元件电压尖脉冲干扰噪声的抑制 滤波，去耦合 隔离，消除接地回路 静电和电磁屏蔽 抑制电源噪声,3.1.7 运放的噪声（1）,第三讲 智能仪器的前向通道,固有噪声 设法消除全部干扰噪声，电路中仍然呈现固有噪声。固有噪声本质上是随机的，它源于各种随机现象，如电子的热运动。电路中每个节点电压和支路电流都是在它们期望值附近不断波动。信噪比 信噪比用于表示在噪声存在的条件下的信号质量。,Xs:信号的均方根值（RMS）Xn:噪声分量的均方根值（RMS）,

17、3.1.7 运放的噪声（2）,第三讲 智能仪器的前向通道,噪声特性RMS值和波峰因数 噪声是随机量，无法预估一个噪声变量的瞬时值。可在统计的基础上对噪声进行处理。噪声电压或噪声电流xn(t)的均方根值（RMS）定义如下：波峰因数：噪声的峰值与噪声的RMS值的比值。高斯噪声的波峰因数大于3.3时，噪声瞬时值超过的概率为0.1%。实际中高斯噪声的峰峰值取为其噪声RMS的6.6倍,T:合适的平均时间间隔:均方值代表1 电阻中的噪声信号xn(t)消耗的平均功率,3.1.7 运放的噪声（3）,噪声的求和噪声频谱噪声功率通常分布在整个频谱上，这与交流信号集中在特定频率处不同表征噪声必须同时指明测量或计算时

18、所处的频带噪声功率密度（V2/Hz,A2/Hz）噪声谱密度,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.7 运放的噪声（4）,白噪声和 1/f 噪声具有均匀功率谱密度的噪声，即：白噪声的有效值随着频带的平方根的增加而增加 1/f 噪声的功率密度随频率变化规律1/f 噪声功率与频带上下限之比的对数成正比，而与频带在频谱中的位置无关集成电路的噪声由白噪声和 1/f 噪声混合而成的，在高频主要是白噪声，而在低频则主要是1/f 噪声,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.7 运放的噪声（5）,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.7 运放的噪声（6）,转折频率 fce,fci：1/f 渐近线和白噪声电平的交点 功

19、率密度：噪声RMS,第三讲 智能仪器的前向通道,电路中的固有噪声热噪声（约翰逊噪声）：存在于包括实际电感和电容的杂散串联电阻在内的所有无源电阻元件中 主要是由电子（或p型半导体电阻中的空穴）的热运动所产生 热噪声功率密度与流过电阻的电流无关，而与温度T，电阻值R相关热噪声是白噪声，纯电抗元件没有热噪声,3.1.7 运放的噪声（6）,第三讲 智能仪器的前向通道,散粒噪声 任何时候电流流过一个PN结（势垒）都会产生散粒噪声 穿过PN结的直流电流微观上是许多随机元电流脉冲的集合 散粒噪声具有均匀的功率密度（q是电子电量，I是流过PN结的直流电流）散粒噪声也白噪声，其噪声密度与流过PN结的直流电流成正

20、比闪烁噪声也称为接触噪声或者1/f噪声，半导体器件内的缺陷和杂质形成陷阱，当流过电流时，陷阱随机捕获或释放电荷载流子，引起电流的随机波动在有源器件中，MOSFET含有这种噪声最多，无源元件中，碳质电阻除了热噪声，也包含这种闪烁噪声，故又称附加噪声闪烁噪声总是与直流电流有关，其功率密度形式：,3.1.7 运放的噪声（6）,第三讲 智能仪器的前向通道,雪崩噪声 存在于反向击穿的PN结，强电场产生的电子空穴对碰撞产生新的电子空穴对，从而形成雪崩击穿 雪崩击穿的电流是由随机分布的噪声尖峰组成 雪崩噪声与散粒噪声类似，需要直流电流流动，但是雪崩噪声比散粒噪声更加剧烈齐纳二极管噪声闻名遐迩，这是为什么电压

21、基准一般采用能隙电压基准而不采用齐纳二极管基准的原因,3.1.7 运放的噪声（6）,除了雪崩噪声外，晶体管一般含有所有以上噪声，对晶体管噪声机理的理解能够更好的帮助理解运算放大器的噪声特性,第三讲 智能仪器的前向通道,BJT的噪声,3.1.7 运放的噪声（6）,输入噪声密度,1,2,3,4,5,第三讲 智能仪器的前向通道,JFET的噪声,3.1.7 运放的噪声（6）,输入噪声密度,1,2,第三讲 智能仪器的前向通道,MOSFET的噪声,3.1.7 运放的噪声（6）,输入噪声密度,1,2,3,MOSFET在低频和中频下其输入不含电流噪声，但是随着温度的升高电流噪声不能忽略。MOSFET输入的运放

22、，其闪烁噪声是主要关注对象，增加晶体管面积可降低该噪声,第三讲 智能仪器的前向通道,运放的噪声模型及其输入噪声密度的计算,3.1.7 运放的噪声（6）,电阻反馈运放电路,电路的噪声模型,采用叠加定理计算噪声密度，噪声电压和电流源视为独立源 叠加采用RMS相加 计算换算到运放输入端的总频谱密度,第三讲 智能仪器的前向通道,运放的输出噪声密度的计算（1）,3.1.7 运放的噪声（6）,输入电压噪声的输出模型A(jf)为传输增益,输入电流噪声的输出模型Z(jf)为传输阻抗,噪声密度,总输出RMS噪声,第三讲 智能仪器的前向通道,运放的输出噪声密度的计算（2）,3.1.7 运放的噪声（6）,举例1：,

23、等效噪声带宽(NEB),举例2：,已知：（1）电压白噪声和电流白噪声的频谱密度为enw,innw和inpw（2）运放的单位增益频率为ft,计算：在有效时间Tobs内总有效值输出噪声（fL=1/Tobs,fH=）,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.7 运放的噪声（6）,总输入噪声密度：,电压噪声密度：,电流噪声密度：,总有效值输出噪声：,运放的闭环带宽：,输出噪声电压：,第三讲 智能仪器的前向通道,3.1.7 运放的噪声（6）,运放电路的低噪声设计,高频噪声抑制-低通,噪声带宽限制-带通,高频噪声抑制-低通,频率补偿，提高稳定性,前向通道的R,商用运放的种类和特点（1）,通用运放普通低成本场合

24、应用失调电压和电流指标一般典型产品：LM324:输入失调电压：5mV 输入偏置电流：20nA 输入失调电流：2nACMRR:80dB 电源范围：3-30V（单），+/-1.5-15V（双）,商用运放的种类和特点（2）,精密运放要求较精密测量场合应用失调电压和电流指标较高典型产品：OP07 输入失调电压：0.15mV 输入偏置电流：12nA 输入失调电流：6nA CMRR:110dB 电源范围：+/-3-18V（双）,商用运放的种类和特点（3）,低电压满幅输出运放（rail-to-rail）要求低电压应用场合，一般电压能满幅输出，低功耗失调电压和电流较低，输入阻抗很高典型产品：OPA342 静态

25、电源电流：0.15mA 输入失调电压：1mV 输入偏置电流：10pA 输入失调电流：10pA CMRR:88dB 电源范围：（单）,商用运放的种类和特点（4）,仪表运放要求精密测量场合 极高的共模和差模输入阻抗 精确和稳定的增益（1V/V-1000V/V）极高的共模抑制比 高精密（低失调，低噪声和温度系数）典型产品：AD620 输入失调电压：0.05mV，温度系数：0.6uV/C 输入偏置电流：1nA 输入失调电流：1nA CMRR:100dB 电源范围：+/-2.3-18V（双）,商用运放的种类和特点（5）,数字可编程运放要求量程自动切换，增益数字控制的场典型产品：PGA202,商用运放的种类和特点（7）,高速运放要求高速信号测量典型产品：OPA603带宽：100MHz建立时间：50ns失调电压：5mV偏置电流：25uACMRR:60dB,商用运放的种类和特点（8）,隔离运放：变压器隔离要求隔离测量的场合典型产品：AD202,隔离电压：2000V CMRR:120dB 非线性：0.025%,谢 谢!,