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1、现代电子技术及应用第二章放大现代电子技术及应用第二章放大电路电路1第一次实验情况第一次实验情况23第二章第二章信号放大电路信号放大电路n放大电路根本知识放大电路根本知识n集成运算放大器集成运算放大器n专用传感信号放大器专用传感信号放大器n一仪表放大器一仪表放大器n二隔离放大器二隔离放大器n三可变增益放大器三可变增益放大器n四电桥放大器四电桥放大器n五传感放大器五传感放大器n六低漂移放大器六低漂移放大器n七宽带高速放大器七宽带高速放大器4放大电路根本知识放大电路根本知识n类型：类型：电压、电流、互阻、互导电压、电流、互阻、互导n性能指标：性能指标：输入电阻输入电阻/输出电阻、增益、频率响应及带宽
2、、非线性输出电阻、增益、频率响应及带宽、非线性失真失真n负反响负反响 1927年，贝尔实验室，年，贝尔实验室，Harold Black，渡船，渡船n概念深度负反响概念深度负反响n影响：影响：n改善失真线性扩展带宽改善失真线性扩展带宽/非线性非线性n降低灵敏度提高稳定性降低灵敏度提高稳定性 n改变输入输出阻抗改变输入输出阻抗 n不能提高信噪比不能提高信噪比n四种负反响书四种负反响书5集成运算放大器集成运算放大器电子电路的根本器件！电子电路的根本器件！60年代初，仙童年代初，仙童Fairchild)，741，工业标准，工业标准性能优异性能优异近似理想特性，如电压增益高近似理想特性，如电压增益高80
3、-140dB实现信号源、放大器和负载的直接耦合连接实现信号源、放大器和负载的直接耦合连接输入零电平输出也是零电平输入零电平输出也是零电平低频响应扩展到直流低频响应扩展到直流工艺双极型、工艺双极型、MOS、BiMOS等等通用通用/专用专用6集成运算放大器总体构造集成运算放大器总体构造u-u+uo国际符号：国际符号：7通用型集成运放通用型集成运放741LARGE INPUT VOLTAGE RANGE.NO LATCH-UP.HIGH GAIN.SHORT-CIRCUIT PROTECTION.NO FREQUENCY COMPENSATION REQUIREDThe UA741is a high
4、 performance monolithic operational amplifier constructed on a single silicon chip.It is intented for a wide range of analog applications.(.Summing amplifier.Voltage follower.Integrator.Active filter.Function generator)The high gain and wide range of operating voltages provide superior performances
5、in integrator,summing amplifier and general feedback applications.The internal compensation network(6dB/octave)insures stability in closed loop circuits.8AB电路图电路图91.偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组组成成微微电电流流源源，通通过过T8和和T9组组成成的的镜镜象象电电流流源源为为差
6、差动输入级提供偏置电流。动输入级提供偏置电流。T12和和T13管管构构成成多多支支路路电电流流源源。T13管管是是多多集集电电极极三三极极管管，其其集集电电极极电电流流的的大大小小比比例例为为1:3。B路路作作为为中中间间级级的的有有源源负负载载。A路路为为输出级提供偏置。输出级提供偏置。电路分析电路分析1102.输入级：输入级：T1、T2和和 T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输管，发射结反向击穿电压高，
7、可使输入差模信号达到入差模信号达到30V以上。以上。T5、T6、T7 和和R1、R2、R3组组成成具具有有基基极极补补偿偿作作用用的的镜镜象象电电流流源源，作作为为差差动动输输入入级级的的有有源源负负载载，可可以以提提高高输输入入级级的增益。的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。电路分析电路分析2T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：工艺双极型、MOS、BiMOS等It is intented for a wide range of analog applications.温漂小于10uv/，甚至1uv/音频:20k 增益10
8、00AD620，IN128，IN114输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号最大差模输入电压Uidmax传感器与强带电体直接接触或绝缘强度不高无霰弹噪声，精细减小节电容，高速T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作.在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。GBP=Afb一般Aod在100120dB左右，高增益运
9、放可达140dB以上。113.中间级：中间级：T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集作这一级的集电级有源负载。电级有源负载。T14和和T20管管组组成成互互补补对对称称输输出出级级，恒恒压压源源电电路路T18、T19和和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。为其提供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保保护护T14管管，使使其其在在正正向向电电流流过过大大时时不不致致烧烧坏坏。T21、T23、T22管管和和 R10保保护护 T20管管在在负负向向电电流流过过大大时时不不致致烧烧坏。坏。4.输出级：输出级：电路分析电路分析312电路分析电
10、路分析4n频响校正电容频响校正电容:n唯一，唯一，30pFn消除自激振荡消除自激振荡n输入失调调零电位器：输入失调调零电位器：n20Kn微调微调T5、T6发射极电流，使运放输入发射极电流，使运放输入0，输出，输出0n一般不接破坏平衡、热平衡特性差一般不接破坏平衡、热平衡特性差 增加温漂增加温漂13 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。对称性的指标。2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作
11、温度范围内，输入失调电压随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。与温度变化量之比值。集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数114 4.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调
12、电流温漂输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。变化量之比值。主要参数主要参数215 6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分差分管将出现反向击穿现象。管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，
13、放大器失去共模抑电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。制能力。主要参数主要参数316主要参数主要参数4 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上
14、，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。17 12.全功率全功率带宽带宽 FBPW：运放的闭环电压增益为运放的闭环电压增益为1，输入正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真，输入正弦大信号并规定负载和指定输出电压的失真等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受等条件下，使运放输出电压的幅度达到最大值时的信号频率，受SR限制限制。11.转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化额定负载，阶跃大信号输入，输出电压的最大变化率。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。普通为的输入信号的响应能力。普通为1V/us。主
15、要参数主要参数5 13.建立时间建立时间ts：闭环增益闭环增益1，一定负载，阶跃输入信号，运放输，一定负载，阶跃输入信号，运放输 出电压达到特定值范围所出电压达到特定值范围所需时间需时间。14.等效输入噪声电压等效输入噪声电压UN：普通输入噪声电压有效值为普通输入噪声电压有效值为1020uV。18主要参数主要参数6 15.15.开环带宽开环带宽 SWSW ：开环增益从直流增益下降开环增益从直流增益下降3dB所对应的信号频率所对应的信号频率 16.单位增益带宽单位增益带宽GB：闭环增益为闭环增益为1，正弦小信号驱动，闭环增益下降，正弦小信号驱动，闭环增益下降3dB所对应的所对应的信号频率信号频率
16、 17.增益带宽乘积增益带宽乘积GBW：GBP=Afb 通常为定值。通常为定值。(同相同相741为为1MHz)开环开环-闭环闭环19运放分析根底运放分析根底n理想运算放大器理想运算放大器n理想参数理想参数Ao、rid、BW-)(Ib、rod-0n虚短虚短/虚断虚断n运放的根本连接书运放的根本连接书p62-p64n同相放大器跟随器同相放大器跟随器n反向放大器反向放大器n差动放大器差动放大器n?n电源？电源？n电流？电流？n输出电压？输出电压？书，书，作业作业20例题例题n设设 ，A741为例，为例，V/V，那么同相放大电路，那么同相放大电路n理想输出电压？理想输出电压？n实际输出电压？实际输出电
17、压？n输入阻抗输出阻抗？输入阻抗输出阻抗？21n输入串联输入串联/并联反响会增加并联反响会增加/减小输入电阻减小输入电阻n输出串联电流输出串联电流/并联电压反响会增加并联电压反响会增加/减小减小输出电阻输出电阻 n跟随器跟随器n反向反向n差动差动n仪表仪表n列表总结集成运算放大器的反向、同相、差动输列表总结集成运算放大器的反向、同相、差动输入直流和交流的特性。入直流和交流的特性。22集成运放使用注意集成运放使用注意n加电源怎么加？加电源怎么加？n有电流有电流正负电源间静态电源电流，正负电源间静态电源电流，mA；输出与负电源间输出与负电源间n功耗，功耗，mW n静态限制：输入偏置电流静态限制：输
18、入偏置电流/输入失调电流；输入失输入失调电流；输入失调电压；调电压；n输入电压范围；输出饱和输入电压范围；输出饱和rail-to-railn动态限制：开环；闭环；暂态响应上升时间动态限制：开环；闭环；暂态响应上升时间/转转换速率换速率23放大器自激振荡的解决方法放大器自激振荡的解决方法n电阻一般小于兆欧电阻一般小于兆欧n电源滤波电源滤波n运放电源引脚加滤波电容运放电源引脚加滤波电容0.1uF，非卷绕独石电容或瓷片电容，非卷绕独石电容或瓷片电容n电容紧靠电源引脚，接地点接在一起并尽可能靠近本级运放电路电容紧靠电源引脚，接地点接在一起并尽可能靠近本级运放电路的参考接地点的参考接地点n特别敏感的电路
19、如前置放大器，供电电源单独从电源引出，特别敏感的电路如前置放大器，供电电源单独从电源引出，并单独并单独RC或或LC滤波。滤波。n布线工艺布线工艺24n增益带宽积增益带宽积 例例:用用741设计一个增益为设计一个增益为60dB的音频放大器的音频放大器.音频音频:20k 增益增益1000 GWP=?n扩频带，两级同向放大级联扩频带，两级同向放大级联n实验？实验？25一仪表放大器一仪表放大器n应用应用n信号源内阻变化信号源内阻变化n输入信号有强共模成分工频干扰等输入信号有强共模成分工频干扰等n数据采集系统、电桥、热电偶、生物探针及温度传感器数据采集系统、电桥、热电偶、生物探针及温度传感器的放大电路的
20、放大电路n特性特性n高输入阻抗高输入阻抗1010n高共模抑制比高共模抑制比n增益调节方便增益调节方便n精度高、稳定性好精度高、稳定性好26仪表放大器仪表放大器n原理原理n要求要求A1=A24个个R相等相等G=1+50Kg/Rg27仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意1n输入偏置输入偏置na高源电阻石英话筒、水下超声探测器等高源电阻石英话筒、水下超声探测器等nb低源电阻热电偶等低源电阻热电偶等nc对称构造对称构造28仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意2n有源信号屏蔽输入信号保护有源信号屏蔽输入信号保护(双线，交流传输双线，交流传输)n高输入阻抗，分布电容高输入阻抗，分布电容n提高共模抑制比提高
21、共模抑制比AD620，IN128，IN11429仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意3输出偏置输出偏置30仪表放大器应用注意仪表放大器应用注意3续续31二隔离放大器二隔离放大器n输入输出隔离输入输出隔离n高共模电压叠加微弱传感器信号高共模电压叠加微弱传感器信号n接地不良接地不良n耦合大分布电容、浮地、对地高阻抗，耦合大分布电容、浮地、对地高阻抗，n长导线耦合工频长导线耦合工频n地线参考点存在电位差，地线环流！地线参考点存在电位差，地线环流！隔离放大器隔离放大器1.输入差分源对地阻抗高2.传输线长或与工频电源线近距离平行3.为了安全，两设备必须分别接地4.传感器与强带电体直接接触或绝缘强度不高5
22、.被测对象很弱（病人、活细胞等）32隔离放大器隔离放大器n隔离放大器抵御高共模电压原理隔离放大器抵御高共模电压原理33隔离放大器隔离放大器2n隔离放大器抑制地线环流原理隔离放大器抑制地线环流原理34隔离放大器隔离放大器3n磁耦合隔离最磁耦合隔离最“古老，带宽窄，耐压一般古老，带宽窄，耐压一般n调制与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级调制与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级n输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进展缓冲、滤输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进展缓冲、滤波等功能波等功能n输出级是对信号进展解调，滤波与放大输出级是对信号进展解调，滤波与放大n内置
23、的内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。其他电路。n光电耦合隔离应用广泛光电耦合隔离应用广泛n光信号传送耦合，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有光信号传送耦合，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用很强的隔离作用n模拟量线性和精度差线性光耦隔离放大器件模拟量线性和精度差线性光耦隔离放大器件n(开关量可靠传递开关量可靠传递)数字隔离数字隔离1PWM的调制及解调方式的调制及解调方式2V/F方式方式n电容耦合隔离频率调制，先进电容耦合隔离频率调制，先进n输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模输入
24、电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号拟信号n采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。35隔离放大器隔离放大器4n性能综合比照：性能综合比照：耦合方式耦合方式传送精度传送精度噪声滤波噪声滤波结构复杂度结构复杂度传送距离传送距离变压器耦合变压器耦合中中需要需要高高短短电容耦合电容耦合较好较好需要需要高高短短线性光电耦合线性光电耦合较好较好不需要不需要中中短短36三可变增益放大器三可变增益放大器n同相可变增益同相可变增益n原理
25、原理/电路电路n反相可变增益反相可变增益n原理原理/电路电路 n程控可变增益程控可变增益n模拟开关如模拟开关如4051精度不高精度不高nD/A芯片如芯片如DAC0832)单路，频响不高单路，频响不高n集成电路如集成电路如AD624，单路，单路)n 如如PGA100,多路多路37DAC控制程控增益放大器控制程控增益放大器38传感器根本概念传感器根本概念n组成组成n分类分类n能量控制型：从外部供给能量并由被测量控能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.电阻、电容、电感，一般接电桥电阻、电容、电感，一般接电桥n能量转换型：直接由
26、被测对象输入能量使其能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作工作.n 例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.输出电压、电流、电荷，一般接放大输出电压、电流、电荷，一般接放大器器敏感元件转换元件测量电路非电量输出电量电量可转换为电量的非电量39四电桥放大器四电桥放大器n电桥电桥n单电桥单电桥n双电桥双电桥n全电桥全电桥n桥式差分放大器桥式差分放大器n浮地电源电池浮地电源电池Z1Z2Z4Z3R2R1bauou-+Na)反相输入R+RR2R1uoRRRu-+Nb)同相输入40n三运放仪用放大器n线性电桥放大器线性电桥放大器 R1=R2,R3=R4,R8=R9=R11=R
27、 Rx=R(1+x),当当(1+2R5/R)*(R1/R10)=1时时Vo=(1+2R5/R)*(Vs/2)*x41五传感放大器五传感放大器n一电压信号放大霍尔器件一电压信号放大霍尔器件例：同相放大，例：同相放大，Rs=1M，Rp开路，放大器开路，放大器K=50，Ri=1M，放大器偏置电流放大器偏置电流1nA，求传感器输出电压，求传感器输出电压1mV时，放大器输出电压？时，放大器输出电压？解：1）放大器偏置电流经传感器内阻产生1nA*1M=1mV的电压，加在放大器的输入端，经放大，输出50mV（零输入时输出电压）。2）传感器的输出电压经传感器输出电阻和放大器输入电阻分压，加在放大器的输入端，经
28、放大，输出25mV。3）结论：小于零点电压！所以当传感器输出阻抗高时，一定选用输入阻抗高，偏置电流小的放大器！42五传感放大器五传感放大器n二电流信号放大光敏二极管二电流信号放大光敏二极管n 光电流模式光电流模式 光电导模式光电导模式n 无霰弹噪声，精细减小节电容，高速无霰弹噪声，精细减小节电容，高速43五传感放大器五传感放大器n三交流电荷放大器压电传感器三交流电荷放大器压电传感器n灵敏度与电缆长度无关！灵敏度与电缆长度无关！44五传感放大器五传感放大器n频率特性频率特性n下限频率下限频率n上限频率上限频率n电缆分布电容、杂碎电容电缆分布电容、杂碎电容10pF*1000m=0.01uFn运放开
29、环频率响应运放开环频率响应n注意：注意：nCf不能太大，否那么增益太小，不能太大，否那么增益太小，Rf也不能太大也不能太大n传感器工作在交变状态，传感器工作在交变状态，ffL，交流电荷放大，交流电荷放大器器n准直流电荷放大器准直流电荷放大器自举高输入阻抗放大器自举高输入阻抗放大器45五传感放大器五传感放大器n频率特性频率特性例：例：SYC4000石英压力传感器：石英压力传感器：Rs1013,Cs=2.6-4.5pF,A0=105,Ri=1012,Ci=4 pF,Cc=5.5pF,Cf=10pF,IIB=10pA 带入公式，得：带入公式，得：fL=1.13*10-3 HZ46六低漂移放大器六低漂
30、移放大器n低失调低失调/偏置电流偏置电流结构特点结构特点芯片芯片参数参数具有超高电流放大系数晶具有超高电流放大系数晶体管体管LM308IB 1nA输入偏置电流相消输入偏置电流相消OP07IB 1nA Ios0.40.4nAJFET输入级输入级LF356IB=30pA Ios=3p=3pA特殊特殊JFET技术技术+隔离技术隔离技术AD549，OPA129IB100f100fA MOSFET输入级输入级TLC279IB=0.7p=0.7pAIos=0.1p=0.1pA47六低漂移放大器六低漂移放大器n调制解调型斩波稳零放大器调制解调型斩波稳零放大器n动态较零自稳零型斩波稳零放大器动态较零自稳零型斩
31、波稳零放大器n闭环闭环n开环开环n集成低漂移放大器集成低漂移放大器(AD8551)温漂小于温漂小于10uv/，甚至，甚至1uv/48调制解调型斩波稳零放大器调制解调型斩波稳零放大器交流放大，Uos1隔离Uos2缩小K1倍49七宽带高速放大器七宽带高速放大器n应用于视频和通信：宽通频带、快速建立时间、应用于视频和通信：宽通频带、快速建立时间、高输出电流、直流特性好、低电源电压、低失真高输出电流、直流特性好、低电源电压、低失真低噪声低噪声n电压反响运放电压反响运放VFB/电流反响运放电流反响运放CFBnVFB：开环增益带宽积：开环增益带宽积=常数常数nCFB：非差动输入，不对称，突破常数，压摆率：非差动输入，不对称，突破常数，压摆率取决于输入电压幅度，如取决于输入电压幅度，如AD8009，单位增益带，单位增益带宽宽1000MHZ，SR=7000V/us一般运放只有一般运放只有几几V/us50第二章小结第二章小结n正确选用集成运算放大器正确选用集成运算放大器n用途决定类型，不一味求新求高用途决定类型，不一味求新求高n注意参数的测试条件，留有余地注意参数的测试条件，留有余地n输入偏置电路提供直流通路输入偏置电路提供直流通路n合理选择外部器件大小合理选择外部器件大小n供电电源去耦交流放大器供电电源去耦交流放大器n内容内容