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1、,电子仪器设计,主讲教师：郝晓剑 3942611,信息与通信工程学院电子工程系,第3章 运放的特性及各种连接,3.1 运算放大器的性能指标3.2 用集成运放设计放大器的方法3.3 信号运算电路3.4 测量放大电路,3.1 运算放大器的性能指标,3.1.1 集成运算放大器基础3.1.2 集成运算放大器的电压传输特性及主要参数3.1.3 集成运算放大器的分析重点,3.1.1 集成运算放大器基础,1.运算放大器的结构,金属圆壳式封装 双列直插式封装,运算放大器是在一块硅片上，经过光刻、扩散等一系列复杂工艺过程制成后，要引出多个引脚，加上外壳封装，构成完整的产品。,2电压控制运算放大器的内部电路,所示
2、电路为简化了的运算放大器，是由两级直流放大器组成的。第一级是一个差分输入单端输出的射极耦合放大器。利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其它方面的性能。输入级的好坏影响着运放的大多数参数，它具有高输入阻抗、低漂移、低功耗、输入电压范围大、静态电流小等特点。晶体管Q3是一个恒流源。如果两个输入（Q1和Q2的基极电压）相等，由恒流源提供的电流Io在Q1和Q2中将平分，第一级（Q2的集电极）的输出电压为+VSR2Io/2。若没有恒流源Q3，流过Q1和Q2的电流将随V和V_的电平高低变化（不仅与其差值有关）。第二级的Q4起电平转换器和放大器的作用，其输出电压可以通过调节R4来调零。射极跟随器Q
3、5提供了低输出阻抗，提高输出效率。,3.集成运算放大器的分类,通用双极型单、双、四运放单电源运放 低噪声双极型运放 结型场效应管输入级(JFET)运放 MOS场效应管输入级(MOSFET)型运放 高精度运放 高输出运放 微电流输入(高阻)型运放 高速、宽带型运放 低功耗型运放,3.1.2 集成运算放大器的电压传输特性及主要参数,集成运放的电压传输特性如图所示，它表征了在低频条件下，输入电压和输出电压之间的关系。,1.非理想运算放大器的主要参数(1)差模电压放大倍数Aod（亦称之为开环差模放大倍数）一般情况下，Aod104106(即80120d),性能较好的运放可达到140d以上。(2)差模输入
4、电阻rid 差模输入电阻rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。在实际运放中，rid也是较高的，如：CF741的rid1M，高阻型运放5G28的rid104M。(3)输出电阻ro 集成运放的输出级一般采用互补对称式共集电路，因而有较小的输出阻抗，通常ro100lk，如CF741，ro200。(1)，(2)，(3)为集成运算放大器工作在线性区的三项基本参数。,(4)输入失调电压UIOUIO的含义是，在UI0时，欲使输出电压Uo0，所需外加的补偿电压。造成失调电压的原因是运放输入级差分对管的特性不会完全一致。(5)输入失调电压温漂dUIOdT 由于运放电路输入级差分对管的温度特性不致，当温度变化时
5、，输入失调电压亦随之变化。可以用外接调零电路抵消UIO的影响，但不能消除dUIOdT的影响。因此，对于用户来说，dUIOdT是一个更为重要的参数。(6)输入失调电流IIO IB1和IB2是同相端与反相端的输入电流。这个参数表征了差分对管输入电流不对称的程度。(7)输入失调电流温漂dIIOdT 其意义与dUIOdT类似，它也是运放一个重要参数。(4)，(5)，(6)，(7)为集成运算放大器的失调参数。在上面四个参数中，dUIOdT和dIIOdT愈小，运放的温漂亦愈小，这对于设计低漂移的放大器来说是至关重要的参数。,(8)共模抑制比KCMR常用分贝表示，即为20lgKCMR。通常运放的20lgKC
6、MR60100d。高共模抑制比组件的20lgKCMR可达120140d，例如AD521，AD522。(9)最大共模输入电压UICMAX 如果共模信号的幅值超过一定限度，运放就不能正常工作。称这个极限值为UICMAX。(8)，(9)为集成运算放大器的共模参数。在工业现场使用的放大器，因由传感器经传输线传来的信号含有很强的共模信号，要特别注意共模参数。在强干扰的工业现场使用的放大器，第一级最好采用UICMAX、KCMR都高的仪用放大器。,(10)-3d带宽fH 它是集成运放的上限截止频率。例如F007(CF741)的fHl00Hz(11)单位增益带宽fC 它是Aod1时所对应的频率，也就是运放的增
7、益带宽积。(12)转换速率SR 它被定义为单位时间内最大输出电压的变化。如果在输入端加一个方波，尽管根据频率响应（小信号参数），应该有更快（指数）的上升时间，但开始阶段的输出却是以其转换速率线性上升的斜坡型电压，如图所示。SR反映了运放对高速变化的输入信号的响应情况，只有当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出才能按线性规律变化，否则输出信号将产生频率失真。,(10)，(11)，(12)为集成运放的时域和频域参数，这三个参数主要用于交流放大器的设计。,（13）输出饱和 过大的输入电压将会使输出呈正饱和或负饱和，饱和电压的极限值略小于电源电压。741型运算放大器的电源电压为15V，其输出将在+
8、14V或-14V附近达到饱和。如果输出被短路或接以很小的电阻做负载，输出电流可能达到饱和。当然，在电流饱和的情况下，其最大输出电压将小于或远小于正常负载时的输出电压。741型运算放大器在1020mA时出现电流饱和。,例1 假定某运放的转移速率为100V/s,输出幅度的最大值为10V，求其最大工作频率。反之，如果知道了工作频率，也可求出不失真的最大输出幅度，如信号频率为10kHz,运放的转移速率0.5V/s,则不失真的最大输出幅度,例2 Aod=104，当(V+V-)分别为0.001V和0.002V，电源电压为15V时，求VO=？VO=Aod(V+V-)=1040.001V=10 VVO=Aod
9、(V+V-)=1040.002V=20 V（）已饱和,2.理想运放的性能指标及两个基本特性：,(1)运放两输入端之间为虚短路，即(2)运放两输入端之间为虚断路，即,3.1.3 集成运算放大器的分析重点 分析集成运算放大器时，首先要明确是工作在线性区还是饱和区（非线性区）。,1.线性区：,工作在线性区的集成运放有两个重要特点：虚短路和虚断路。2.非线性区：只要在同相输入端和反相输入端之间加无穷小的电压，输出电压就会超出线性范围，达到正向饱和电压和负向饱和电压，输入电压与输出电压之间不呈线性关系。工作在非线性区的集成运放有两个重要特点：输出非高即低和净输入电流为零。,3.2 用集成运放设计放大器的
10、方法,基本反相放大器的设计 3.2.2 基本同相放大器的设计方法 3.2.3 多级交流放大器的设计,3.2.1 基本反相放大器的设计,1.基本反相放大器的分析,电路中R2叫平衡电阻，其作用是为了保证集成放大器的两个输入端处于静态平衡的工作状态，避免因电阻不平衡时，静态输入偏置电流在电阻上产生的压降不等而引入附加差分输入电压。它的求法是：令集成放大器处于静态（u0=0，ui=0），从同相端及反向端向外看对地的电阻应相等。所以，R2=R1/Rf。,2.基本反相放大器的设计方法,例3设计一个高输入阻抗的反相放大器，该电路可从直流到50kHz的电压进行放大。要求：增益：10和100（可用开关选择）频率
11、响应：直流50kHz（最小值）输入阻抗：10M（最小值）输出阻抗：10（最大值）输出电压和电流：在10mA时为10V，最高频率可达5kHz（最小值）输出端的零偏置电压：0.1V（最大值）,反相放大器的设计程序是：根据已知的性能指标，算出所需运放的一些主要参数，并选择运放的型号；计算外围电路的参数。对于高精度的放大器，还需进行误差分析。对不同的要求的反相放大器，设计方法亦略有差别。一般来讲，R1和Rf的取值范围为1k1M，放大倍数的范围为0.1l00或1000，工作频率为010kHz。,3.基本反相放大器的调试步骤,步骤1：消除自激振荡步骤2：调零步骤3：观察输出波形 步骤4：性能指标的测量及调
12、试,4.反相放大器的性能扩展,方法1：采用T型反馈网络的反相比例电路，如图所示。,如本例的元件参数值取值如下：R2100k，R31k，R49k，要保证闭环增益Au为100，则电阻R1的取值应为10k，电路的输入电阻即为10k。同样参数条件下，反相比例运算电路的电阻R1只能取1k，电路的输入电阻也即为1k。由此可见，采用T型网络的反相比例运算电路确实可以提高电路的输入阻抗。,方法2：自举电路 由上例可知，这种电阻无需采用高值电阻，就能同时满足高输入电阻和高放大倍数的要求。由于RiR1，所以要获得更高的输入电阻仍有困难。下面自举电路可以使输入电阻达到100M左右。如果输入回路电流能主要由运算电路本
13、身提供，则向输入信号源索取的电流就几乎为零，这对外部信号源来说，相当于电路具有很高的输入电阻，这正是输入电阻的自举扩展原理。,自举电路,何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,A2为主放大器，A1为辅助放大器，A1的输出电流供给R1，按照反馈的观点分析该电路，该电路为一个正反馈电路且有：由上式可知，当时，。但是由于上面电路形成了正反馈，为了防止电路振荡，应使R略大于R1。若取(R
14、-R1)/R为0.01，则输入电阻。这是基本反相放大器无法实现的指标，该电路的主要缺点是放大倍数受到和比值的限制。,方法3：高输入电阻高增益反相放大器 若将T型电阻网络和自举扩展原理结合起来，无疑能组成既有较高的输入电阻，又有较高的增益，而且不必采用高值电阻的反相放大器。,若Rl100k，相对偏差为0.01，则输入电阻为100M；它是相当高的，而电路的增益也可以很高，而又不采用高值电阻。电路的主要缺点是匹配电阻要求严格。,(2)提高输出电压 大多数通用运放所用电源电压为士15V，这使它的输出电压的最大线性范围差不多限定在土12V，峰一峰值约为24V。当负载所需的驱动电压高于此值时，除了选用输出
15、电压更高的特殊运放外，也可用通用运放来承担此项任务。这时，可将两只通用运放组成差动输出电路、输出电压线性范围可扩展一倍，达到土24V左右，峰一峰值可达48V左右。,3.2.2 基本同相放大器的设计方法,其最小增益是1（R1=，Rf=0），最大有用增益大约为102103，Rf的最合适的范围为2100K。,1.基本同相放大器的分析,2.基本同相放大器的设计方法,由于反相放大器的共模电压几乎等于零，而共模抑制比为有限值，因此共模电压对输出电压的影响可以忽略。但是同相放大器的同相端和反相端的电压不是零，加有共模信号。因此在设计同相放大器时，对于所选用的集成运放除了满足反相放大器中提出的各项要求外，还要
16、对最大共模输入电压和共模抑制比提出特殊要求。要求集成运放的共模输入电压的最大值必须大于实际共模信号输入的最大值，要求运故有足够的共模抑制比。当给定等效输入共模误差Ui时，集成运放的KCMR必须满足，,例4 设计一个同相放大器，要求Au=200，Ri=10k，Ro=0.1k，bw=10kHz（小信号）。,设计考虑：使用一级同相放大器或两级反向放大器。一级同相放大器可选用增益带宽积为15MHz的318芯片，可满足题中增益带宽积为2MHz的要求。两级反向放大器的增益分别为10和20，增益带宽积分别为0.1MHz和0.2MHz，选741即可满足要求。,3.同相放大器的阻塞现象及其预防,在同相放大器工作
17、时，当共模输入电压(包括输入信号和干扰信号的共同作用)瞬间超过运放所允许的最大共模输入电压，会使运放反相输入端的三极管饱和且反相端变为同相端，负反馈变为正反馈输出信号通过反馈电阻反使反相端的三极管进一步饱和。结果输出端电压突然增加，以致近似接近正电源电压或负电源电压的数值。这时放大器不能调零。即使将输入信号撤除，输出电压也将保持不变，过一段时间后才能使电路恢复正常工作，这种现象叫做“阻塞”现象。,当发生阻塞现象时，若Rf的阻值较小，由反馈电阻Rf来的电流可能使得输入级的晶体管烧坏。为了预防阻塞现象，除了选用共模输入电压高的运放外，还可以采用同相端输入保护所示的保护电路，确保输入端共模电压不超过
18、运放所允许的最大值。,3.2.3 多级交流放大器的设计,例5 设计一个交流放大器，性能指标和已知条件如下：中频放大倍数，输入电阻，通频带20Hz10kHz，最大不失真输出电压，负载电阻。,因为普通运放的输出电流在几毫安和十几毫安之间，故无须用采用扩流的方式。,在交流放大器设计中，由第一级运放工作小信号条件下，集成运放的选择应以满足交流放大器最高输入频率fmax为根据，即,式中，fc是运放的单位增益带宽，Aod是运放的差模电压放大倍数，fH是3d带宽，Au是放大器的放大倍数，fmax是输入信号的最高频率。,在本设计中，Au1=10，fmax=10kHz，所以可选用 的运放即可。由于第二级的运放工
19、作在大信号条件下，选择运放主要是满足转换速率要求,在本例中,综上所述，我们选择CF741型运放，其主要指标为：，满足设计要求。,交流反相放大器需要持别注意输入电容的选择。因为从输出端向输入端看，耦合电容将构成为积分滞后反馈网络，再加上运放本身的延迟，就可能使附加相移达到180，形成正反馈，而引起电路自激。,也就是说，不论输入信号的频率多高，也不能随意减少耦合电容的数值。对CF741的相移特性要求，,可取C1C21F,3.3 信号运算电路,3.3.1 集成运算放大器在模拟运算中应用3.3.2 集成运算放大器在信号测量方面应用3.3.3 集成运算放大器的应用技术,3.3.1 集成运算放大器在模拟运
20、算中应用,Ui1单独作用,Ui2单独作用,另外，差分放大器常被用作测量放大器，接受来自测量电桥的电压。在自动控制中，将控制信号送到输入端并且与给定基准信号一起作为差分放大器的输入信号，经放大后去控制执行机构，并将放大后的信号反馈回输入端及时调整净输入信号，以达到高精度自动控制目的。差分放大器输入端有较高的共模输入电压，因此要求外接元件的对称性要好，以便抑制共模分量。,1.差分放大器,什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,差动放大器,基本电路 共模与差模输入,差动放大器,等效电路
21、,ud=ui1ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分,2相加放大器,同相输入加法电路属于电压串联负反馈，具有较高的输入电阻，这是它的一个显著特点，但其输入端会有共模输入电压，当共模输入电压很大时，共模抑制比下降，严重时会使输出无法正常工作，应引起重视。,3减法运算电路,减法运
22、算电路可以由单级差分放大器构成，考虑输入信号同时加在同相输入端和反相输入端，存在共模输入电压过大问题，这里采用两级反相放大器来构成减法运算电路，可使输入端共模电压减小。,（一）利用加法运算电路实现减法运算,（二）用单一运算放大器实现减法运算,4积分和微分运算电路,积分电路可以实现对输入信号的积分运算，利用它的充放电过程，可以实现延时、定时以及产生各种波形。波形变换、振荡电路、压控振荡器以及A/D转换等许多电子电路都用到它，是一个重要的基本运算电路。,当求某一段积分值时,（一）反相积分电路,（二）具有特殊性能的积分电路1、增量积分电路（比例积分电路）,2、多重积分运算电路,C/2,上式表明输出电
23、压与输入信号电压的微分成正比。RC为微分时间常数，负号表示输出与输入反向。理想的微分电路，其反馈回路对高频产生接近90度的相位滞后，它与运算放大器的滞后结合在一起，很容易使电路自激振荡，所以一般要在电阻R上并联一个容量很小的电容C2，如图虚线所示，以限制噪声和输入突变电压，并进行相位补偿。这样就将理想微分电路改造成对输入信号具有一定线性范围的微分电路。,PID电路什么是PID电路？PID（比例积分微分）电路又称为PID调节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量（被调节参数X）调节到预先给定的理论值（或称额定值W），并克服干扰的影响保持这一值。,例6 如图3.23所示电路，Ui1
24、=1.1V，Ui2=1V。试问接入输入电压后，输出电压Uo由0上升到10 V所需的时间。,例7 求图3.24中输入与输出之间的关系。,电路前半部分为典型积分运算电路，后半部分为典型微分运算电路，两个电路互为逆运算。所以有U0=Ui。,例8设计一个积分运算电路，用以将方波变成三角波。已知输入方波的幅值为2V，周期为1mS。画出电路图并计算元件参数。,5对数和反对数运算电路,其中，UT是温度电压当量，UT26mV，IS为PN结反向饱和电流。可见，输出电压与输入电压的对数成比例，这里应当注意：只有当ui0时，对数运算电路才能正常工作。若ui0，需将NPN型三极管换成PNP型三极管。,对数运算电路广泛
25、应用于测量、记录仪器等设备中。当处理动态范围比较大的信号时，可利用对数运算电路产生与输入信号幅度的对数成正比的输出，以方便测量和记录。,二极管的电流是其端电压的指数函数，那么端电压就是电流的对数函数。在反相放大器中，用三极管代替反馈电阻Rf，如图所示，则可实现对数运算。,可见，输出电压与输入电压成指数关系，也就是反对数关系。同样，电路只有ui0时才能正常工作。,3.3.2 集成运算放大器在信号测量方面的应用,1直流电压、电流及电阻的测量,当用集成运算放大器和磁电式电流表（又称表头）所构成测量仪表时，它具有灵敏度高、准确度高，线性度好及输入电阻高等特点，尤其是在精密测量微小电压和电流时，显示出了
26、它的优良性能。,考虑表头是一块满偏电流为100A的直流微安表，并且假设R10，则所测电压ux的满量程值为,在上述测量电路基础上，增加电阻分压器来扩大量程可以构成多量程直流电压表，如下图所示。分压后的各档电压在同相输入端的值U均不应超过1mV。,当被测输入电压ux10mV时，并且U1mV，可求出电阻R2，有,这样就能扩大测量量程，用100A的表头测量10mV的电压值。图中由于同相输入方式输入电阻非常大，所以可看作是内阻无穷大的直流电压表。它几乎不从被测电路吸收电流，测量精度非常高。,按照电压表设计方法，同样可以获得性能较好的直流电流表，如图所示。可见，表头满偏可显示出小于被测电流值，所以提高了电
27、流表的灵敏度。利用放大器和100A的表头构成的直流电流表，可达到量程10A电流，这是普通微安表所达不到的。,当表内接入电源Eo，再经电阻Ro作用于待测电阻Rx上，所产生的电压ux送入同相输入端。,由于ux是Rx的函数，经过微安表的电流也是Rx的函数，所以微安表头可以按电阻值刻度。当被测电阻Rx时，uxEo，这时应当使表头满偏，故Eo应等于1mV。,将上述测量电压、电流及电阻的电路组合在一起，就可构成用运算放大器组成的万用表。,2.绝对值运算电路 Io=Ui/R,绝对值检测电路,当输入信号Ui为正极性时，因Al是反向输入，因此D2截止,D1导通。此时，输出电压为,，,当输入电压Ui为负极性时D1
28、截止，D2导通、则Uo1被D1切断，不能输入到A2的输入端。此时相应的输出电压Uo为,可见，不论输入信号极性如何输出信号总为正，且数值上等于输入信号的绝对值。即实现了绝对值运算。,电流输出的全波线性绝对值电路,3.平均值运算电路,在电路中有两种求平均值的情况。一种是求若干信号的加权平均值，它可用相加电路实现。另一种是求一个信号在某一时段内的平均值。,4.峰值保持器,例9为了响应其电压幅度的范围为0.11.0V的输入脉冲，试设计一个峰值读出装置。其输入阻抗必须为100K或更高，输出应能驱动一个标准伏特计（满刻度为10V，基本驱动电流为1mA）。设计电路图并计算元件参数值。,所设计电路如图所示。D
29、1、D2选IN4148，C1、C2可选1000p，R3选10k,有效值运算电路,5.电桥放大电路何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,（一）单端输入电桥放大电路,（二）差动输入电桥放大电路,由上式可知，电桥四个桥臂的电阻同时变化时，电路的电压放大倍数不是常量，且桥臂电阻R的温度系数与R1不一致时，增益也不稳定。另外，
30、电路的非线性仍然存在，只有1当时，u0与才近似成线性关系。当共模电压较大时（幅值大于10V），输入信号将被淹没。因此，这种电路只适用于低阻值传感器，测量精度要求不高的场合。,（三）线性电桥放大电路,这种电路的量程较大，但灵敏度较低。,6.电荷放大电路,K足够大,(1)基本原理,(2)电荷放大电路的特性,a开环电压增益的影响b频率特性c噪声及漂移,7.光电测量电路图光电测量电路光电器件能将光信号转换成电信号。只要能将一些非电量的变化转换成光信号的变化，就可以利用光电器件来测量这些非电量。图3.41所示为一种最简单的光电测量电路。无光照时，光电二极管的反向电流很小。有光照时，形成光电流，光的照度越
31、大，光电流越大。当使用了集成放大器后，可使输出电压uoiRf。,8.温度的测量 温度测量在许多领域里得到了广泛的应用。图3.42是一测温仪器电路原理图。利用二极管PN结的温度特性可以来测量温度，如图3.43所示。当温度上升，UD下降，其温度系数约为-2mV/。图中A1构成温度传感器。二极管D接在反馈回路中，同相输入端施加基准电势E1，以提高其测温精度和灵敏度。,3.3.3 集成运算放大器的应用技术,1.集成放大器的选择2.参数测试3.相位补偿4.调零5.保护措施,a）输入和输出保护 b）同相端输入保护,3.4 测量放大电路,低漂移直流放大器设计高输入阻抗放大器和低输入阻抗放大器设计仪用放大器可
32、编程增益放大器3.4.5 隔离放大电路,低漂移直流放大器设计,1.常用低漂移线性集成运放及实用设计方法,在用低漂移运放设计多级放大器电路时，应考虑如下因素：环境温度的变化范围，电源电压的变化，失调参数的漂移等。如果第一级采用基本反相放大器，其输入误差的计算公式如下：,式中第一项和第二项是第一级反相放大器温漂带来的误差，第三项是由电源电压变化引起的误差。第四项是运放噪声引起的误差。第五项是第二级放大器的温漂参数、噪声电压和电源电压波动引起误差折算到第一级输入端的变化量。,如果第一级采用基本同相放大器，则输入误差公式变为,例10在基本同相放大器中，已知,运放为OP07，最大共模输入电压,，电源电压
33、波动值,噪声很小，可以忽略，第二级的误差电压可以忽,求总的输入误差电压,由表可知，OP07的主要参数为,三种常用电路：（1）由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路（2）自动调零放大电路（3）低漂移单片集成运算放大器,2.稳零放大电路,(1)斩波稳零放大电路,（2）自动调零放大电路,自动调零放大电路,由图a，当N3输出高电平，Sa1、Sa2导通，电路处于失调调零状态，见图b。可推出：Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压U0s1。当N3输出低电平，Sb1、Sb2导通，电路进入信号放大状态，见图c。可推出：Uo(R2/R
34、1)Ui实现了对失调电压的校正，达到了自动调零的目的。,自动调零放大电路,电路特点：性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路；输出电压较稳定；波动小；电路成本低（用一块四运放LF347和一块4位模拟开关CD4066即可组成）；适用于毫伏级的低电平放大。,（3）低漂移单片集成运算放大器a、轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）什么是CAZ运算放大器？CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。,问题：该电路与自动调零放大电路的主要区别何在？什么场合下采用较为合适？,CAZ运算放大
35、器,b、斩波稳零集成运算放大器ICL7650,斩波稳零集成运算放大器,误差检测和寄存阶段：时钟为高电平，Sa1、Sa2闭合，N2两输入端被短接，只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2的侧向输入端A2，此时Uc2Uo2(K2U0s2+Kc2Uc)/K2。校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输出为Uo2=K2Ui。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除，达到稳零目的。,斩波稳零集成运算放大器,此时，Uo=(K1+K1K2)
36、Ui+K1U0s1+Kc1Uc。问题：该电路的增益是如何提高的？该电路的输入失调电压是如何减小的？该电路的共模抑制比是如何提高的？该电路有哪些优点？,ICL7650的应用电路,高输入阻抗放大器和低输入阻抗放大器设计,1.高输入阻抗放大器,在放大电路设计中，提高输入阻抗常用方法如下采用串联反馈电路；用场效应管设计输入级；采用自举电路；采用场效应管型差分对设计差分电路。,用串联负反馈提高输入阻抗的放大电路有：晶体管射极跟随器，其输入阻抗在数百千欧姆以内，适用于放大交流信号；用高阻型运放设计的反相器，其输入阻抗可达l09以上，但是因为与之适应的信号源必须允许直流接地同时必须采用正、负电源供电，使其应
37、用范围受到了一定的限制；利用场效应管设计出的放大电路，虽然它具有输入阻抗高、电路简单等优点，但必须用高阻值的电阻设计偏置电路，这给设计和制作均带来很多困难，其原因是高阻值电阻的稳定性差、噪声大，很难设计出高精度的放大器；自举电路是一种较理想的高输入阻抗的放大器，但多用于放大频率较高的信号；用场效应管型差分对设计出的高增益、低漂移、高输入阻抗的差动放大器适用浮置信号的测量。在要求较高的场合下，可采用高输入阻抗集成运算放大器或采用由通用集成运算放大器组成的自举电路。,(1)高输入阻抗集成运算放大器,例10在典型的同相放大器电路3.13中，Au11，Rl10k，Rf100k，所使用的运放分别为CF7
38、4l和CF3140，求输入电阻和输出电阻。,由集成运放手册查得：741开环增益Aod2105，差模输入电阻rid2M，输出电阻ro75。,已知CF3140(高阻型运放)的参数为：Aod105，rid1500M，输出电阻ro60。,反馈系数,平衡电阻,由于,741,3140,由例10可见，在基本同相放大器中即使采用普通的运放，也能得到极高的输入电阻和极低的输出电阻。,(2)自举式高输入阻抗放大电路,当R2R1时,上式表明，运算放大器N1的输入电流i1将全部由N2电路的电流i2所提供，输入回路无电流，输入阻抗为无穷大。实际上，R2与R1之间总有一定的偏差。当偏差不大时，若（R2R1）/R2为0.0
39、1，R110k，则输入电阻仍可高达100M。当然，运算放大器偏离理想放大器，也会使输入阻抗有所下降。,2.低输入阻抗放大器 当传感器的源电阻Rs很小时，如电感L、电阻应变片R，热电偶R、红外探测器，光敏器件电流输出，光电池零伏偏置电流输出等。宜用低输入阻抗的前置放大器或直流放大器。,(1)变压器耦合的前置放大电路(2)并联运放前置放大器(3)共基一共射放大电路,（1）仪用放大器的基础知识在测量控制系统中，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。对其基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和
40、输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,仪用放大电路,什么是高共模抑制比放大电路？用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于何种场合？应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。,三运放高共模抑制比差动放大电路,高共模抑制比放大电路,双运放高共模抑制比放大电路a.反相串联结构型uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2当R2/R1=R4/R5，ui1=ui2时，uo=0通常取R1=R5，R2=R4,高共模抑制比放大电路,b.同相串联结构型
41、uo1=(1+R2/R1)ui1(uo1ui2)/R3=(ui2uo)/R4uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1为了获得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3,高共模抑制比放大电路,什么是有源屏蔽驱动电路？将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压11地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。应用于何种场合?经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器
42、等组成的高精度测控系统中。,高共模抑制比放大电路,有源屏蔽驱动电路,高共模抑制比放大电路,三运放高共模抑制比放大电路IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp，uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rpuo=(uo2uo1)R5/R3,高共模抑制比放大电路,浮动电源共模自举式放大电路,集成仪用放大器,集成仪用放大器具有如下优点：能处理微弱信号，由于仪用放大器具有很高的共模抑制比和良好的温度特性，因此能处理V级信号；外接元件少(一般只需外接两、三只电阻)，使用灵活；在处理交、直流差分信号时，抗源阻抗不平衡能力
43、强。因为这种放大器的输入阻抗高(大于l09)，一般远大于源电阻，所以，当源电阻变化约为1k左有时，不会造成明显的失调影响。,仪用放大器的主要特性参数,增益方程，它是指仪用放大器的增益A与增益控制电阻之间的关系式，即ARsRG。通常仪用放大器的增益调节范围在11000之间。非线性度，系指输出和输入的实测特性与理想特性之间偏差的程度，其定义式为失调电压，仪用放大器失调电压的定义与运放的相同。但是，仪用放大器的失调电压和失调漂移包括两部分，即输入的、输出的失调电压和失调漂移。输入失调正比于增益A；但输出失调与增益无关。输入偏置电流，它与运放输入偏置电流的定义相同。为了防止偏流对杂散电容充电，导致放大
44、器输出饱和，在悬浮输入时，必须给每个输入端设置一条直流通路。高共模抑制比，其共模抑制比一般大于100d。输入电阻高，一般情况输入电阻可大于l09。,可编程增益放大器,由单运放和模拟多路开关构成的单运放型可编程增益放大器如图3.55所示，其中多路开关由四个P沟道的JFET管组成。D1，D2，D3和D3是四路TTL逻辑控制信号，分别控制Tl、T2、T3和T4的导通与截止。当Di为高电平时，Ti截止；否则，Ti导通。当DlD2D3D41111时，T1、T2、T3、T4均截止。此时，放大倍数A一Rf/R5一l00。当DlD2D3D40111时，T1导通，T2、T3和T4截止，A一(Rf/R1)R5一5
45、0。继续分析得到增益表。,(2)多运放型可编程增益放大器的工作原理,并联式可编程增益放大器 串联式可编程增益放大器,(3)仪用放大器型可编程增益放大器,什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,3.4.5 隔离放大电路,隔离放大电路,（一）基本原理1、组成及符号,隔离放大电路,2、原理框图,隔离放大电路,（二）通用隔离放大电路1、AD277变压器耦合
46、隔离放大器,隔离放大电路,隔离放大电路,2、互补式光电耦合放大电路i1=10V/R2+ui/R1i2=10V/R3+uo/(R5+Rp)uo=(R5+Rp)ui/R1作业：p55，2-18,隔离放大电路,（三）程控增益隔离放大电路,思考与练习3.1已知VOS=1mV，(V+V-)=0，A=104V，求Vo=？3.2一同相放大器，所加电源电压为9V，输入电压为0.5V，试问：(1)当放大倍数为10时，电路输出电压为多少伏？(2)当放大倍数为20时，电路输出电压又为多少伏？3.3某运放的转移速率为100V/s,假定输出幅度的最大值为10V，求其最大工作频率。3.4什么是自举电路？说明图所示电路是如何提高放大器的输入阻抗的？,3.5设计一20倍同相放大器。要求放大器对小信号带宽为100KHz，输入阻抗50K，输出阻抗0.1，大信号带宽为10kHz，输出范围10V。已知电源应能够提供200mA电流。画出电路图，计算元件参数及对运放参数的要求。3.6试设计一个增益为500，频率响应从直流到2kHz的同相放大器，如果频率响应从直流50kHz，需要做哪些改变？,
