1、 第二章. 信号放大电路2. 信号放大电路信号放大电路何谓何谓信号信号放大电路放大电路？ 为了将微弱的传感器信号放大到足以进行各种转换处理或者驱动指示器、记录器以及各种控制机构的电路称为信号放大电路信号放大电路。 由于传感器输出的信号形式和大小不同，传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样，因此所采用的放大电路形式和性能指标也不一样，使得放大电路种类多种多样。2. 信号放大电路信号放大电路 差动放大电路 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 隔离放大电路 电荷放大电路 增益可控放大电路n随着集成技术的发展，集成运算放大随着集成技术的发展，集成运算放大器
2、的性能不断完善，价格降低，目前器的性能不断完善，价格降低，目前主要采用由主要采用由集成运放组成集成运放组成的各种形式的各种形式的放大电路或单片集成放大器。的放大电路或单片集成放大器。 2. 信号放大电路信号放大电路2.1 2.1 测量放大电路的误差与补偿测量放大电路的误差与补偿 2-1 2-1 运算放大器件的理想和实际特性运算放大器件的理想和实际特性 序号序号 参数名称参数名称 理想值理想值 实际值实际值 1 差模增益差模增益 90100dB以上以上 2 共模增益共模增益 0 0dB以上以上 3 输入阻抗输入阻抗 100k数兆欧数兆欧 4 输出阻抗输出阻抗 0 10数百欧数百欧 5 带带 宽宽
3、 0 010Hz（或（或010kHz） 6 动态范围动态范围 0供电电压供电电压 有限部分有限部分 7 输入失调电压输入失调电压 0 纳伏至毫伏纳伏至毫伏 8 输入失调电流输入失调电流 0 皮安至微安皮安至微安 9 噪噪 声声 0 纳伏至微伏纳伏至微伏+-+ N2.1 测量放大电路的误差测量放大电路的误差与补偿与补偿2. 信号放大电路信号放大电路n采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和线性范围。n最主要的误差因素是噪声与失调漂移。 失调漂移：固定的失调可以通过调整来解决。如：输入失调电压和失调电流可采取一定的方法调整 序号序号 参数名称参数名称 理想值理想值 实际值实际值 1 差模增益差模增益
4、 90100dB以上以上 2 共模增益共模增益 0 0dB以上以上 3 输入阻抗输入阻抗 100k数兆欧数兆欧 4 输出阻抗输出阻抗 0 10数百欧数百欧 5 带带 宽宽 0 010Hz（或（或010kHz） 6 动态范围动态范围 0供电电压供电电压 有限部分有限部分 7 输入失调电压输入失调电压 0 纳伏至毫伏纳伏至毫伏 8 输入失调电流输入失调电流 0 皮安至微安皮安至微安 9 噪噪 声声 0 纳伏至微伏纳伏至微伏2.1.2、失调及补偿1.1.输入失调电压输入失调电压U UOSOS理想运放，输入电压为零，输出电压也为零。实际运放，须在理想运放，输入电压为零，输出电压也为零。实际运放，须在运
5、放的两个输入端外加一补偿电压，使运放输出电压为零。该运放的两个输入端外加一补偿电压，使运放输出电压为零。该直流电压就是直流电压就是输入失调电压输入失调电压。2. 输入失调电流输入失调电流IosA AododUUodod0 0I IB1B1I IB2B2集成运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差。集成运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差。 I IIOIO I IB1B1 I IB2B22.1.3 转换速率和最大不失真转换速率和最大不失真频率频率n转换速率转换速率SR是指运算放是指运算放大器的输入信号为正弦大器的输入信号为正弦信号，而输出为三角波信号，而输出为三角波时，其三角波的斜率
6、，时，其三角波的斜率，用用V/us表示。表示。n它表示输出电压能够跟它表示输出电压能够跟踪输入电压的能力。踪输入电压的能力。uSRtmaxsin,2mmmduu UtUfUSRdtmax2mSRfU最大不失真频率最大不失真频率2.1.4 运算放大器的振荡与相位补偿n在负反馈中，若输出与输入之间的相移达到180，便可产生自激振荡。n为避免自激振荡，最好办法在运算放大器的适当位置加RC补偿网络补偿网络。噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常，把把外部外部来的称为来的称为干扰干扰，把内部产生的称为，把内部产生的称为噪声噪声。 2. 信号放大电路信号
7、放大电路2.2 2.2 噪声噪声噪声又可分为噪声又可分为白噪声白噪声和和色噪声色噪声。白噪声白噪声是指噪声的波形是随机的，其幅值、相位、是指噪声的波形是随机的，其幅值、相位、频率都是随机的，瞬时值不能预测。频率都是随机的，瞬时值不能预测。色噪声色噪声指噪声频率固定，如接地噪声。指噪声频率固定，如接地噪声。式中式中 k k 玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，k k =1.38=1.381010-23-23J/KJ/K； T T 导体的绝对温度（导体的绝对温度（K K）；）； B B 测量系统的噪声带宽测量系统的噪声带宽(Hz)(Hz)； R R 导体阻抗的实部导体阻抗的实部()()。 kTRBtU4)
8、(t热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由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声电路中的固有噪声有电路中的固有噪声有热噪声、低频噪声、热噪声、低频噪声、散弹噪声。散弹噪声。低频噪声低频噪声与晶体管表面的状态以及与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声结的漏电流有关的噪声，由于噪声电压的方均值与频率的大小成反比，故，由于噪声电压的方均值与频率的大小成反比，故又称为又称为1/f 1/f 噪声噪声式中式中 k1 与材料有关的常量，其量纲与与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；有关； I I 工作电流工作电流( (A) )； a、b 由实验确定的常数，对各种半导体，由实验确定的常
9、数，对各种半导体，b=0.81.5，a通常为通常为1 1； f 工作频率工作频率( (Hz) )。 baffIktU12)(流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续流过二极管、三极管位垒层的载流子不是连续的，而是脉冲性质的，的，而是脉冲性质的，这种这种脉冲脉冲电流的平均电流的平均值为值为0 0，但方均值不为零，用下式表示：，但方均值不为零，用下式表示： BqIIDCsh2式中式中 q 电子电荷，为电子电荷，为1.5910-19C； IDC 直流电流直流电流(A)； B 测量系统的噪声带宽测量系统的噪声带宽 (Hz)。散弹噪声散弹噪声散弹噪声电流的方均根值正比于散弹噪声电流的方均根值正比于B1/
10、2,B1/2,与频率的大小无关，是一种白与频率的大小无关，是一种白噪声。噪声。n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。2.3 典型测量放大电路典型测量放大电路n用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的电路称为测量放大电路（仪用放大电路）n 测量放大电路结构形式多样：电桥放大、电流放大等n 传感器输出信号微弱，电路和环境噪声都会对放大电路造成干扰，因此对测量放大电路有要求基本要求基本要求： 测量放大电路输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； 稳定的放大倍数； 低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电
11、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。以上要求都是围绕“精”提出来的，同时考虑快。2.3.1 测量放大电路的基本要求测量放大电路的基本要求R2ui+-+ NR1R3n测量放大电路更加突出测量放大电路更加突出“精精”和和“灵灵”的要求，的要求，噪声、干扰噪声、干扰和和漂移漂移是误差的主是误差的主要来源。针对要来源。针对噪声、干扰噪声、干扰和和漂移的漂移的抑制，抑制，重点讲解将共模抑制比放大电路与低漂重点讲解将共模抑制比放大电路与低漂移放大电路移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，
12、同时考虑快与可靠。从灵和安全可靠出发，还需要： 可调闭环增益放大电路； 参量放大电路； 电荷放大电路； 隔离放大电路。也有利于提高精度。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uoui+-+NR1R2R312fRRK反相放大电路2.3.2 2.3.2 反相反相放大电路放大电路优点：性能较稳定，优点：性能较稳定，缺点：输入阻抗低，一般能满足要求缺点：输入阻抗低，一般能满足要求1iZR改进电路改进电路24(1)15RRKfRR 244(1)152RRRKfRRR NuiuoR1R2R3R4R5既可有高输入阻抗，又有足够的增益。24RRn为了抑制噪声和降低成本，简化结构，通常把放大器和滤波
13、器(通常是低通滤波器)设计成一体n 低频截止频率由C1和R1决定，高频截止频率由C2和R2决定uiNuoR1R2R3C1C2交流反相放大电路交流反相放大电路2.3.3 2.3.3 同相放大电路（一）ui+- NuoR1R2R312f1RRK特性：输入阻抗高，有易受干扰的缺点。特性：输入阻抗高，有易受干扰的缺点。3211iiKZZRRR输入阻抗为：K为运算放大器的开环增益；ZI为运放的开环输入阻抗n同相放大电路除了用于前置放大外，还经常用于阻抗变换或隔离。n同相放大电路的一种形式n电压增益为1n R1、R2是平衡电阻，为了消除运算放大器的输入偏置电流的影响NuiuoR1R2跟随放大电路特性：输入
14、阻抗很高，输出阻抗近似为零，特性：输入阻抗很高，输出阻抗近似为零， 放大倍数放大倍数Kf为为1，只进行，只进行阻抗变换阻抗变换，常作为，常作为缓冲级缓冲级。uiNuoR1R2R3R4C1低频交流交流放大电路为了得到较低的低频截止频率和避免为了得到较低的低频截止频率和避免使用过大的电容，使用过大的电容，R1选用较大的阻值。选用较大的阻值。为了消除输入偏置电流的影响，反馈网络采用了“Y”形网络，使运放输入端电阻尽可能相等。为减少器件种类取R1=R223,4314fRRRRKRuo+-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出uo1 i112o1uRRuui2作用时电路的输出uo2 i2
15、43412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu2.3.4 2.3.4 基本差动放大电路基本差动放大电路叠加原叠加原理理2.3.4 基本差动放大电路i243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu取R2/R1=R4/R3 )(i1i212ouuRRu电路具有共模抑制能力。电路具有共模抑制能力。 uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3n在差分放大电路中，无论是在差分放大电路中，无论是温度变化温度变化，还是，还是电电源电压的波动源电压的波动等，都会引起两管集电极电流以等，都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，及相应的集电极电压相同
16、的变化，其效果相当其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。于在两个输入端加入了共模信号。n如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要放大的差模信号。放大的差模信号。 所以要抑制共模信号。所以要抑制共模信号。n常用常用共模抑制比共模抑制比作为一项衡量差分放大电路抑作为一项衡量差分放大电路抑制共模信号的能力的技术指标。共模抑制比愈制共模信号的能力的技术指标。共模抑制比愈高，抑制共模信号的能力越强。高，抑制共模信号的能力越强。 补充：补充：实际上不可能完全做到实际上不可能完全做到R2/R1=R4/R3，为分析电路的共模抑制性能为分析电路的共模抑制性能 i2434
17、12i112o2o1o1uRRRRRuRRuuuiddiccid12121434ic12121434o21uKuKuRRRRRRRRuRRRRRRRRu)()(211i2id2i1iciiuuuuuuidici2idici12121uuuuuuKc：共模电压增益：共模电压增益 Kd：差模电压增益：差模电压增益为了得到最大的共模抑制比，令Kc=0, CMRR,此时R2/R1=R4/R3。1212143412121434cd21RRRRRRRRRRRRRRRRKKCMRR为 了 减 少 器 件 品 种 和 提 高 公 艺 性 ， 常 使为 了 减 少 器 件 品 种 和 提 高 公 艺 性 ， 常
18、 使R1=R3,R2=R4.此时此时uo=(R2/R1)uid , 电路对差模信号进行放大。电路对差模信号进行放大。特性：特性：电路结构简单电路结构简单 共模抑制比高共模抑制比高 输入阻抗低，增益调节难，应用受限输入阻抗低，增益调节难，应用受限 常用作测量放大器的后级常用作测量放大器的后级集成化的差动放大芯片具有更好的性能，主要体现集成化的差动放大芯片具有更好的性能，主要体现在共模抑制比和温度性能。这类芯片有：在共模抑制比和温度性能。这类芯片有：INA105，INA106，INA117等等n 传感器输出信号都有共模电压，一般差传感器输出信号都有共模电压，一般差动输入集成运放抑制它，要求动输入集
19、成运放抑制它，要求外接电阻外接电阻平衡对称平衡对称、运放有理想特性运放有理想特性。否则将有。否则将有共模误差输出。共模误差输出。n 一般运放共模抑制比可达一般运放共模抑制比可达80dB,而采用而采用几个集成运放组成几个集成运放组成的测量放大电路，共的测量放大电路，共模抑制比可达模抑制比可达100-120dB2.2.3.5 3.5 高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路1、反相串联结构型N1ui1uoR1R2R3=R1/R2R4R5ui2N2R7=R4/R5/R6R6122 661 45oiiR RRuuuR RR2.2.3.5.1 3.5.1 双双运放运放高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大
20、电路n当R2/R1=R4/R5 ，ui1=ui2时, 输出电压为0，共模信号得到了抑制。n这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低。n 通常，为了使ui1、ui2负载相同，取R1=R5,则R2=R4122 661 45oiiR RRuuuR RR2、同相串联结构型uoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1特点：1. 同相输入、高输入阻抗；2. 对于N2仍然是差动放大电路1 i121o)1 (uRRu4o2i32i1oRuuRuu1 i34122i34o)1 ()1 (uRRRRuRRuuoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1因为因为i
21、d314234ic3142o)21 (21)1 (uRRRRRRuRRRRu3421RRRR为了获得零共模增益，取为了获得零共模增益，取34d1RRK424313241321121RR RRR RCMRRR RR Ruoui2ui1R4R3uo1R2R1+-+N2+-+N1以上两个运放组成的测量放大电路共模抑制比约以上两个运放组成的测量放大电路共模抑制比约100dB100dB)()(211i2id2i1iciiuuuuuu则电路的差动闭则电路的差动闭环增益为环增益为2.2.3.5.2 3.5.2 三三运放运放高共模抑制比放大电路高共模抑制比放大电路N1、N2为两个性能一致（输入阻抗、共模抑制比
22、、增益）的同相输入放大器，构成平衡对称的差动输入级。ui1ui2uo1uo2R1R0R2R7RPR8R3R4R6uoR5+-+N1IR-+N2-+N3N3构成双构成双端 输 入 单端 输 入 单端 输 出 的端 输 出 的输 出 级 ，输 出 级 ，进 一 步 抑进 一 步 抑制制N1、N2的 共 模 信的 共 模 信号号0i12i11o1 i22i2oRuuRuuRuuIR2i011 i011o)1 (uRRuRRu1 i022i022o)1 (uRRuRRu)(1 (1 i2i0211o2ouuRRRuu0211 i2i1o2od1RRRuuuuK电路特点：电路特点：1. 1. 输入阻抗高
23、；输入阻抗高；2.2.增益调整方便；增益调整方便；3.3.对于理想运放，共模对于理想运放，共模抑制比趋向无限大。抑制比趋向无限大。R7RPR8R3R4R6uoR5-+N3ui1ui2uo1uo2R1R0R2+-+N1IR-+N20211 i2i1o2od1RRRuuuuK(1)当当N1、N2性能一致时，输入级的差动输出及性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在出、失调及漂移均在R0两端相互抵消，两端相互抵消，因此电路因此电路具有较好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻具有较好的共模抑制能力，同时不要求外部
24、电阻匹配。匹配。(2)但为了消除但为了消除N1、N2偏置电流等的影响，通偏置电流等的影响，通常取常取R1=R2.(3) 这种电路还具有增益调节能力，调节这种电路还具有增益调节能力，调节R0可可以改变增益而不影响电路的对称性。以改变增益而不影响电路的对称性。三运放电路的特点：三运放电路的特点：n很高的共模抑制比，对外部电阻对称要求低n输入阻抗高n增益可调（R0）n根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为：制比为：n如果如果N1、N2的共模抑制比不相等，将会引入的共模抑制比不相等，将会引入附加的共模误差，使电路共模抑制能力下降。附加的共模误差，使电路共
25、模抑制能力下降。相差不大时（相差不大时（R 221ouRRRuua)2()1 (uubua=ub 4)2(1)21 (1ouRRu-+NR2=R1uoR1uR (1+)uaubRRR电桥电桥4个桥臂的电阻同时变化时，电路的电压放大倍数不是常个桥臂的电阻同时变化时，电路的电压放大倍数不是常量，桥臂电阻量，桥臂电阻R的温度系数与的温度系数与R1不一致时，增益也不稳定。不一致时，增益也不稳定。电路非线性差，适用于低阻值传感器，精度要求不高的场合。电路非线性差，适用于低阻值传感器，精度要求不高的场合。n为了使输出电压为了使输出电压uo与传感器电阻与传感器电阻相对变相对变化率化率成线性关系，可把传感器构
26、成的可成线性关系，可把传感器构成的可变桥臂变桥臂R2接在运算放大器的反馈回路中。接在运算放大器的反馈回路中。2.3.10.3 线性线性电桥放大电路电桥放大电路uoR3R2 =R(1+)R1uuaR1ub-+N)()()()(1221o121oRRuRRuuRRRuuua)(313RRRuubuRRRRuRRRRRRRu31231231312o)(1 (RRRuu1oua = ub 当R3 =R时 特点：1）线性关系； 2）量程较大，但灵敏度较低 n增益调整放大电路是既能方便调整放大电路的增益，又不降低放大电路共模抑制比的专用电路。n增益可控放大电路可以根据被测量值自动调整增益，以适应测量不同范
27、围量值需要，使用灵活，有利于提高测量精度。n 放大电路的增益调节有手动、自动和程控等方法。2.2.3.11 3.11 增益增益调整放大电路放大电路 灵灵2.3.11.1 手动增益调整放大电路n4值匹配电阻组成的差动放大器值匹配电阻组成的差动放大器手动增益调整电路，可变电阻手动增益调整电路，可变电阻R用来调节放大器增益。用来调节放大器增益。n用于调整范围小于用于调整范围小于10%的场合的场合R2uoR2R2R1-ui1 u1R1u2+N+ui2 R2R2Ru3u41113343122iouuuuuuuuRRRR2243244122iuuuuuuuRRRR12uu222221112(1)()2(1
28、)oiiidRRRRuuuuRRRRu输入信号较小时，逻辑控制电路输出输入信号较小时，逻辑控制电路输出零零电平，电平，V饱饱和导通，和导通，r很小，电路增益最大很小，电路增益最大; ; u输入信号超过某界限时，输入信号超过某界限时，逻辑控制电路输出逻辑控制电路输出负负电平，电平， V截止，截止，r，电路增益最小。，电路增益最小。 2.2.3.11.2 3.11.2 自动自动增益增益调整放大电路调整放大电路 2424oi1xRRR R RuuRuoR2R4R1ui控制信号R3-+NVu 改变反馈电阻的自动增益调整电路改变反馈电阻的自动增益调整电路u 在最小、最大两种增益间自动切换在最小、最大两种
29、增益间自动切换Rx=R3+r（r为场效应管漏源电阻）为场效应管漏源电阻）1.通用可编程增益放大电路2.2.3.11.3 3.11.3 可编程增益放大电路可编程增益放大电路 UoUi1M110k20.4k10.1kABCDR21MR110k10k-+NR3R4R5R6多路模拟开关多路模拟开关采用多路模拟开关采用P沟道沟道JFET阵列，可由阵列，可由TTL逻逻辑电平或辑电平或CMOS电路驱电路驱动。逻辑电平为动。逻辑电平为“1”时，时，即即JFET栅极为高电平，栅极为高电平，开关开关断开断开g增益 A B C D100 1 1 1 150 0 1 1 110 1 0 1 12 1 1 0 11 1
30、 1 1 0根据根据需要需要将将R R33R R6 6与与 R R2 2并联并联，使增益减小。，使增益减小。由确定的程序来控制放大电路增益的电路由确定的程序来控制放大电路增益的电路n此电路通过开关的通断改变运算放大器N的并联反馈电阻，来实现增益程控。n 电路结构简单，但开关导通电阻影响电容精度，开关分布电容影响电路的稳定可靠和速度n适用于低增益和低精度的场合2. 2. 数字式可编程增益放大电路数字式可编程增益放大电路11112842iiiioUUUUUABCDRRRRR a）改变并联输入电阻）改变并联输入电阻21(842)fRKABCDR UiUo4个模拟开关，实现个模拟开关，实现015中任意
31、正整数的中任意正整数的增益值。增益值。开关通断改变开关通断改变N的输入的输入电阻电阻开关电阻的差异和变化开关电阻的差异和变化将直接影响总增益精度。将直接影响总增益精度。n每次只能导通一个开关，只能获得1、2、4、8二进制增益值。2. 改变并联反馈电阻改变并联反馈电阻248 )fKABCDUiUo任意正整数增益框图任意正整数增益框图N个电阻建立个电阻建立N-1个方程，得到个方程，得到1N正整数的正整数的N个增个增益值益值1211211122112212112,3,2(),(1)afbfaNbNNNfaNNbNNNNfNNRKRKRRRRRRRRRRKRRRRRRRRRRRRKN RRRNR 则则
32、1243211111111112222221113333311111(3)(3)311111 1(2)211111 1 11NNNRRRRRRNNNRNNN 3.集成可编程增益差动放大器译码器和开关驱动电路Ui1R6Sa110kU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kR22kR14kR32kR56kR710kR910kR1330kR1560kR1460kR810kR1230kR1010kR1110kD0D1数字地810746110Uo131612151114+-+N1-+N3#U23Ui2-+N2输入级输入级:运算放大器运算放大器N1、N2开关开关R1R7LH0084集成数字式
33、可编程增益放大器集成数字式可编程增益放大器n 输出级：N3和R8R15,双端输入单端输出n 通过选择R10、R10+R12、R10+R12+R14作为N3的反馈电阻，可分别得到输出级的放大倍数为1、4、10译码器和开关驱动电路Ui1R6Sa110kU1Sa2Sa3Sa4Sb4Sb3Sb2Sb19R46kR22kR14kR32kR56kR710kR910kR1330kR1560kR1460kR810kR1230kR1010kR1110kD0D1数字地810746110Uo131612151114+-+N1-+N3#U23Ui2-+N22.2.3.11 3.11 增益可控放大电路增益可控放大电路
34、LH0084的数字输入、输出端子连接和放大倍数表的数字输入、输出端子连接和放大倍数表数字输入数字输入D1 D0闭合开关闭合开关差动级放大倍数差动级放大倍数（U 2-U1）/（U i2-U i1）连接端子连接端子输出级放大倍数输出级放大倍数Uo/（U2-U1）总放大倍数总放大倍数Uo/（U i2-U i1）0 00 11 01 1Sa1、Sb1Sa2、Sb2Sa3、Sb3Sa4、Sb4125106与与10、13与地与地1125100 00 11 01 1Sa1、Sb1Sa2、Sb2Sa3、Sb3Sa4、Sb4125107与与10、12与地与地44820400 00 11 01 1Sa1、Sb1S
35、a2、Sb2Sa3、Sb3Sa4、Sb4125108与与10、11与地与地10102050100什么是隔离放大电路？什么是隔离放大电路？隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，其输入、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？应用于何种场合？主要用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声主要用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。应用于生物医学测量中，确保人体不受超过应用于生物医学测量中，确保人体不受超过10uA10uA以上漏以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千
36、伏）的危害。电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏。路（包括计算机）造成损坏。2.4 隔离放大电路灵、可靠灵、可靠什么是隔离放大电路？什么是隔离放大电路？所谓隔离，就是在信号传输电路中，在保证信号传输通畅的前提下，同时切断输出电路与输入电路之间在电气上的直接联系。隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，其输入、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？应用于何种场合？主要用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境主要用
37、于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。应用于生物医学测量中，确保人体不受超过应用于生物医学测量中，确保人体不受超过10uA10uA以上漏电流以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏。（包括计算机）造成损坏。2.4 隔离放大电路灵、可靠灵、可靠n可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式。n在隔离放大电路中采用的隔离方式有电磁（变压器
38、）耦合和光电耦合。n 电磁耦合实现载波调制，具有较高的线性度和隔离性能，其共模抑制比高，技术较成熟，但带宽较窄，体积大，工艺复杂，成本高，应用不方便。n光电耦合结构简单、成本低廉、器件重量轻，具有良好的线性和一定的转换速度，带宽较宽，且和TTL电路兼容，应用前景广阔。（一）基本原理(1)组成及符号输入输入放大器放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器隔离器输输 出出放大器放大器uducuiso隔隔离离电电源源由由输入放大器，输出放大器，隔离器输入放大器，输出放大器，隔离器以及以及隔离电源隔离电源等几部分组成等几部分组成输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小，输入端到
39、输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小，输入端到公共端的电容和漏电流都很小，有极高的共模抑制能力；公共端的电容和漏电流都很小，有极高的共模抑制能力；隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电路的共模抑制比。路的共模抑制比。 (2)隔离放大电路的原理框图a) 变压器耦合变压器耦合浮置电源浮置电源输入调制输入调制放放 大大 器器耦合变压器耦合变压器输出解调输出解调放放 大大 器器输出输出输入输入被测信号经被测信号经放大放大并并调制调制成调幅波后，由变压器耦合，再成调幅波后，由变压器耦合
40、，再经经解调解调、滤波滤波和和放大放大后输出。后输出。n 被测输入信号放大，由光耦合器VLC中的LED转换成光信号，再通过光耦合器中的光电器件（光敏二级管、光敏晶体管等）变换成电压或电流信号，最后由输出放大器放大输出浮置电源浮置电源光耦合器光耦合器输输 入入放大器放大器输输 出出放大器放大器输出输出输入输入LEDb) 光电耦合隔离放大电路光电耦合隔离放大电路VLC（二）通用隔离放大电路 (1) AD277变压器耦合隔离放大器隔离隔离电源电源振荡器振荡器调制器调制器输入屏蔽输入屏蔽解调器解调器输出屏蔽输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -
41、-+ + +N1- -+ + +N2AD277是美国是美国AD公司的一种通用隔离放大器，前后公司的一种通用隔离放大器，前后级由运放级由运放N1、N2构成，前级由隔离电源供电。构成，前级由隔离电源供电。N1的的3、4端为差动输入端，端为差动输入端，6、7、8端为零位调整端，端为零位调整端，2是输出端。是输出端。N2的反相端接有的反相端接有100k电阻，电阻，12和和10之间接不通的电之间接不通的电阻，得到不同的闭阻，得到不同的闭环增益。环增益。14、15和和16为外为外加正负直流稳压电加正负直流稳压电源端，源端，16是公共端，是公共端，且与且与N2的同相端引的同相端引脚脚11相连接，构成相连接，
42、构成输出级的地。输出级的地。AD277隔离放大器隔离放大器的输入与输出级靠的输入与输出级靠变压器耦合变压器耦合(2)互补式光电耦合 放大电路N1输入放大器、N2输出放大器，VLC1和VLC2是特性对称的光耦合器，VLC2用作输入放大器和输出放大器之间的隔离传送，VLC1为N1的非线性反馈，以弥补VLC2的非线性2.4 隔离放大电路-+N1C-10VVLC1i1R2+10V+10VVLC2i2R3R1ui-10VuoRp-+N2R43.9kR5u1R0N1、N2处于理想状态i1=i2, R2=R3 ni1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)nuo=(R5+ Rp) ui/R1n由于光耦合器是非线性器件，信号较强时，将出现较大的非线性误差，应采用调频方式n 光电隔离放大电路的前、后级之间不能有任何电的连接，即使是地线也不能连接在一起，前、后级也不能共用电源，否则就失去了隔离的意义。n一般前级放大器可以采用电池供电，或者采用DC-DC变换器供电n2-1到2-15思考题与习题思考题与习题
