1、精精 密密 仪仪 器器 设设 计计 Design of Precision Instrument测控技术与仪器研究所测控技术与仪器研究所自动化工程学院自动化工程学院 1精密电路设计精密电路设计 一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位精密仪器几乎都由精密仪器几乎都由传感器件或传感器传感器件或传感器、信号或数据处理器信号或数据处理器、显显示器或记录器示器或记录器等几大部分组成。等几大部分组成。传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器或放大器或信号调理电路信号调理电路信号转信号转换电路换电路激励电路激励电路数字数字显示器显示器笔录仪笔录仪模拟电表模拟电表模拟指示模拟指示波形记
2、录波形记录数字指示数字指示被测被测非电量非电量传感器传感器信号处理器信号处理器显示、记录器显示、记录器单参数检测精密仪器结构示意图（不带微处理器）单参数检测精密仪器结构示意图（不带微处理器）2传感元件传感元件(一次转换一次转换)放大器放大器信号调信号调理电路理电路数数模模转转换换器器激励电路激励电路CRT、LCD硬盘硬盘数字数字显示器显示器数字显示数字显示数据存储数据存储文字、表格、文字、表格、图形显示图形显示被测被测非电量非电量微微处处理理器器打印机打印机数据或图数据或图形记录形记录传感器传感器信号或数据处理器信号或数据处理器一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位3传感
3、传感器器2运运放放电电路路数数模模转转换换器器显示器显示器硬盘硬盘模出接口模出接口输入输入2微微处处理理器器打印机打印机多多路路选选通通器器传感传感器器1输入输入1传感传感器器N输入输入N一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位4为何电子电路会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？为何电子电路会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？主要原因：主要原因：提高测量仪器的精度和灵敏度提高测量仪器的精度和灵敏度 扩充量程和多功能实现自动化测量扩充量程和多功能实现自动化测量 排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命尤其是现代化精密仪器，具有很强的数据处
4、理能力，尤其是现代化精密仪器，具有很强的数据处理能力，只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高的水平。的水平。一、电子电路在精密仪器中的地位一、电子电路在精密仪器中的地位51、内容、内容精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构动作。动作。精密仪器电路担负着精密仪器电路担负着选择、放大、运算、信号转换、选择、放大、运算、信号转换、逻辑处理逻辑处理等任务，是精密仪器不可缺少的组成部分。等任务，是精
5、密仪器不可缺少的组成部分。6精精度度高高2、功能、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化 易于实现易于实现高倍率放大高倍率放大分辩率、分辩率、读数误差读数误差 易于实现易于实现量程切换量程切换解决了量程与分辩率的矛盾解决了量程与分辩率的矛盾 通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路方便地方便地选取有用信号、抑制无用信号；选取有用信号、抑制无用信号；减少噪声、干扰与非被测参数的影响。减少噪声、干扰与非被测参数的影响。利用电路可对仪器误差进行利用电路可对仪器误差进行自动校正自动校正零点零点的自动校正、
6、的自动校正、放大倍数放大倍数的自动校正、的自动校正、非线性误差非线性误差的修正的修正 利用利用差动电路补偿电路差动电路补偿电路、平衡电路平衡电路使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小7使使用用方方便便 电路可电路可方便方便信号传输，使它信号传输，使它便于便于读出或实现控制、执行；读出或实现控制、执行；电路放大倍数可很高，数字式电路电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便；读取更方便；电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实便于实 现动态采样；现动态采样；利用电路可进行利用电路可进行巡回采样巡回采样或同时
7、读取多路信号；或同时读取多路信号；利用信号分离电路，可读取利用信号分离电路，可读取各成分参数；各成分参数；通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理运算处理，直接读取所需的直接读取所需的复杂参数值；复杂参数值；便于利用电路便于利用电路存储测量结果。存储测量结果。易于自动化：易于自动化：通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。2、功能、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化8 大量数据的大量数据的动态动态和和自动自动采样；采样；大量数据的大量数据
8、的存储；存储；完成较为复杂多样的完成较为复杂多样的运算；运算；较为复杂多样的较为复杂多样的误差自动修正；误差自动修正；较高水平的较高水平的智能化。智能化。计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，并通过接口将计算机与仪器沟通。理，并通过接口将计算机与仪器沟通。运算速度快、储存量大、智能化、图形化运算速度快、储存量大、智能化、图形化PC仪器、智能仪器、虚拟仪器仪器、智能仪器、虚拟仪器9n 精密仪器电路的特点：精密仪器电路的特点：高精度高精度与与高稳定性高稳定性；高灵敏度高灵敏度、高分辩率高分辩率，可检测微弱信号；，可检测微弱信号；检测信号的检
9、测信号的多样性多样性；信号的信号的处理要求处理要求；仪器化的电路设计，要满足仪器化的电路设计，要满足操作方便操作方便、自动测试自动测试、工作可靠工作可靠等要求。等要求。10n 对精密仪器电路的要求对精密仪器电路的要求1.信号的拾取与抗干扰能力信号的拾取与抗干扰能力首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数）；首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数）；其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身 的合理设计。的合理设计。2.稳定性稳定性-是对仪器电路乃至整个精密仪器的是对仪器电路乃至整个精密仪器的最基本的要求最基
10、本的要求。温温 漂漂导致仪器的示值在导致仪器的示值在一次运行中发生渐变；一次运行中发生渐变；长期稳定性长期稳定性由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪 器性能在器性能在长期运行中发生变化；长期运行中发生变化；短期稳定性短期稳定性表示为表示为示值重复性示值重复性。由输入信号的信噪比、电。由输入信号的信噪比、电 路本身的噪声和抗干扰能力决定。路本身的噪声和抗干扰能力决定。11 电路的稳定性不仅包括电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性，的稳定性，还应包括还应包括线性度线性度、频率特性频率特性、输入输出阻抗输入输出阻抗的
11、稳定性等。的稳定性等。提高稳定性的措施：提高稳定性的措施：减小温漂减小温漂选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，采取深度负反馈和补偿措施。采取深度负反馈和补偿措施。提高短期稳定性提高短期稳定性选低噪声、工作性能稳定可靠的元器选低噪声、工作性能稳定可靠的元器 件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还常采取件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还常采取 深度负反馈深度负反馈、差动差动或或平衡平衡电路。电路。静态静态下：多次重复取样取平均、下：多次重复取样取平均、滤波器的时间常数滤波器的时间常数示值分散性。示值分散性。123.频率特性与响应速度频率特
12、性与响应速度 是衡量仪器是衡量仪器动态性能动态性能的指标。的指标。被测对象频率范围，从直流开始，高端可至被测对象频率范围，从直流开始，高端可至1011Hz，以致更高。，以致更高。频率特性频率特性同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。响应速度响应速度4.线性度线性度是仪器是仪器精度精度的又一重要指标。的又一重要指标。xy0实际曲线实际曲线规定曲线规定曲线maxmaxyyy 通常要求仪器的输入输出间具有线性关系通常要求仪器的输入输出间具有线性关系 线性标尺便于读出；线性标尺便于读出；换档时只须改变分度值，不必另行定标；换档时只须改变分度值，不必另行
13、定标；记录波形曲线不失真；记录波形曲线不失真；进行进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素，转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素，比较方便。比较方便。精密仪器的非线性度主要由精密仪器的非线性度主要由传感器传感器、电路电路、显示执行机构显示执行机构这三部这三部分的非线性度产生。分的非线性度产生。135.分辩率分辩率提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。模拟仪表模拟仪表：最小刻度值的一半。：最小刻度值的一半。放大器的放大倍数。放大器的放大倍数。数字仪表数字仪表：数字显示最低位：数字显示最低位1个字对应的被测量。个字对应的被测量
14、。量化误差量化误差最低位最低位1个字对应的被测量个字对应的被测量 细化电路细化电路 A/D位数位数6.输入与输出阻抗输入与输出阻抗要与相应的要与相应的传感器传感器和所驱动的和所驱动的显示执行机构显示执行机构阻抗匹配阻抗匹配。一般要求电路输入阻抗很高。（一般要求电路输入阻抗很高。（有的传感器输出阻抗大有的传感器输出阻抗大108以上以上）但不是所有情况（但不是所有情况（输入阻抗输入阻抗 输入端噪声输入端噪声）合理的要求是合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配相匹配，使，使放大器的放大器的输出信噪比输出信噪比达最大值。达最大值。7.计算与逻辑控制功能计
15、算与逻辑控制功能通常检测仪器需要完成一定的通常检测仪器需要完成一定的计算计算，以获得所需的被测参数值；，以获得所需的被测参数值；仪器电路还要完成一系列仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理逻辑判断处理，以保证仪器正常工作。，以保证仪器正常工作。14电子管时期电子管时期电子管放大器电子管放大器放大应变电桥的输出信号，放大应变电桥的输出信号，组成电阻应变仪。组成电阻应变仪。50年代中后期年代中后期晶体管晶体管发展到了实用阶段。各种电子管电路发展到了实用阶段。各种电子管电路 随之改为晶体管电路。随之改为晶体管电路。60年代年代数字频率计、数字电压表等数字频率计、数字电压表等数字仪表数字仪表发展到了实用发
16、展到了实用 阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。70年代年代各种各种模拟模拟、数字集成电路数字集成电路大批量投入生产，价格大大批量投入生产，价格大 大降低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。大降低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。70年代中期年代中期微机系统微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。开始在检测仪器中得到实际应用。显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。80年代年代大规模集成电路大规模集成电路制造技术不断完善，以制造技术不断完善，以单片集成单片集成 模数转换器模数转换器为核心的各种数字面板表取代传统
17、电表。为核心的各种数字面板表取代传统电表。15（一）优质化（一）优质化优质化的一个重要方面就是提高电路的工作优质化的一个重要方面就是提高电路的工作可靠性可靠性。例：例：一个含有一个含有104个晶体管的电路个晶体管的电路若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.9999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.9999100000.37若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.99999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.99999100000.905若单个晶体管可靠性为若单个晶体管可靠性为0.999999 整个电路可靠性为整个电路可靠性为0.999999100000.99为使整个电路的工作可
18、靠性达到为使整个电路的工作可靠性达到99%，则单个器件可靠性必须达到，则单个器件可靠性必须达到0.999999（二）集成化（二）集成化趋势趋势（1）集成块的密集度越来越高；）集成块的密集度越来越高；（2）采用集成块的范围越来越广。）采用集成块的范围越来越广。16（三）数字化（三）数字化能较好地解决能较好地解决量程量程和和分辩率分辩率的矛盾；的矛盾；（1）易于集成化；）易于集成化；（2）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（3）便于动态采样，便于记忆存储；）便于动态采样，便于记忆存储；（4）便于与计算机联用。）便于与计算机联用。但数字电路但数字电路不能完全取代不能完全取代模拟电路。模拟电路。（四）通用
19、化（四）通用化（1）一个电路尽量采用相同的单元电路；）一个电路尽量采用相同的单元电路；（2）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；（3）推广通用仪器。）推广通用仪器。（五）自动化与智能化（五）自动化与智能化（六）虚拟化（六）虚拟化17导体半导体绝缘体功率模块功率放大器件P型N型三极管场效应管PN结PN结集成运算放大器分立元件五、精密检测电路-电子器件的发展半导体：体积小、重量轻、寿命长、输入功率小、功率转换效率高掺杂扩散、漂移电流放大作用18 集成运放集成运放有源滤波器运算加减微积分线性非线性乘除对、指数运放处于线性放大状态 （负反馈）运放处于非线性状态
20、 （开环或正反馈）比较器振荡器五、精密检测电路-电子器件的发展1901 数字电路模拟电路ADDA线性电源开关电源电池电源按键显示五、精密检测电路-电子器件的发展20集成运算放大器:实现信号的组合和运算的放大器。集成运放：模拟器件。运放电路:器件外围。集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反 馈方式，构成功能和特性完全不同的电子电路，它是各种电子电路(仪器电路)中最基本的组成环 节。集成运放电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。1、定义五、精密检测电路-运算放大器运算放大器21（1）电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构；（2）输入级采用差动放大电路，目的是克服直接
21、耦合电路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能；（4）大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载(电流源具有交 流电阻大的特点)，提高电路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工艺制造出来的，故具有同相偏 差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、集成运放特点五、精密检测电路-运算放大器223、基本构成 集成运放是以双端为输入、单端为输出的直接耦合型高增益放大器,其内部组成原理框图用图1.2 表示,它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成。集成运算放大器内部组成原理框图差动输入级电压放大级输出级偏置电路uiduo五、精密检测电路-运算放大器234、集成放大器封装形式
22、1 金属圆帽封装 (8/10/12脚)2 双列直插封装 (8/14脚)3 贴片封装 (8/14脚)1 塑料封装 （1070度）2 陶瓷封装 （50125度）价格相差2个数量级3 金属陶瓷封装（更高）5、集成放大器封装材料五、精密检测电路-运算放大器24五、精密检测电路-运算放大器6、集成运放主要参数25五、精密检测电路-运算放大器6、集成运放主要参数267、集成运放的种类u 通用运放u 低功耗u 低温漂u 高输入阻抗u 低噪声u 高速运放u 高压运放u 多元运放u 单电源u 跨导型运放五、精密检测电路-运算放大器278、集成运放的使用u 合理选择u 消振u 调零u 保护 u 扩流先消振、后调零
23、五、精密检测电路-运算放大器28五、精密检测电路-运算放大器9、精密仪器电路、精密仪器电路n 信号放大电路（小信号、低漂移直流、高输入阻抗、电荷、低噪音等小信号、低漂移直流、高输入阻抗、电荷、低噪音等）n 信号处理电路（滤波、特征值检测、采样保持等滤波、特征值检测、采样保持等）n 调制与解调电路（振幅、频率、相位、脉冲等振幅、频率、相位、脉冲等）n 29集成运放理想化的条件：开环电压放大倍数 AO;差模输入电阻 ri开环输出电阻 rO共模抑制比 KCMRR;0;.uuouAO五、精密检测电路-运算放大器30理想运放对于理想运放Ao,riu uouiu=Ao=-+集成运放工作在线性区的特点：ui
24、uO_+u-u+i-uiuO+_i+0i-=i+=0uiri i-=i+=u-u+=,五、精密检测电路-运算放大器31当u+u-时，u0=UO+iiuO+rid+输出电压u0只有两种可能：当u+U U+)时，输出电压时，输出电压U Uo o处于低电平处于低电平U UL L在在R R1 1中的电流中的电流I I1 1为正为正(I I1 1 0)0)，D DZ Z2 2反向击穿反向击穿(D DZ Z1 1导通导通)，则有，则有U Uo oU Ui i0 0U U0L0LU U+L LU U0H0HU U+H HU U -U UZ Z=U Uo oU U =U U+=U Uo o R R2 2/(/
25、(R R2 2+R R3 3)临界条件临界条件解得解得:U Uo o=-U UZ Z(1+(1+R R2 2/R R3 3)=)=U U0L 0L(输出输出低低电平电平)U U=U U+=(=(U Uo o+U UZ Z)=-()=-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z=U U+L L(输出输出低电平低电平时时同相同相端电位、端电位、下下比较电平比较电平)49当当U Ui i逐渐减小时，只要逐渐减小时，只要U Ui i U U+L L-(-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 时，时，I I1 1不换向，不换向，则，比较器状态不改变，输出电平为则，比较器状态不改变，输出电平为U U
26、o o=U U0L 0L=-U UZ Z(1+(1+R R2 2/R R3 3)当当U Ui i U U+L L-(-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 时，时，I I1 1换向换向(从正从正负负)，则，则D DZ Z1 1反向击穿反向击穿(D DZ Z2 2导通导通)比较器输出比较器输出U Uo o转为高电平转为高电平(U UL LU U0H0H)。因同相端的正反馈作用加速翻转过程。因同相端的正反馈作用加速翻转过程。这时这时U U +U UZ Z=U Uo oU U =U U+=U Uo o R R2 2/(/(R R2 2+R R3 3)解得解得U Uo o=U UZ Z(1+(1
27、+R R2 2/R R3 3)=)=U U0H 0H(输出输出高高电平电平)U U =U U+=(=(U Uo o+U UZ Z)=()=(R R2 2/R R3 3)U UZ Z =U U+H H(输出输出高电平高电平时时同相同相端电位、端电位、上上比较电平比较电平)50U UU Ui iU Uo oR R1 1 A AR R3 3D DZ Z2 2I I1 1I I2 2R R2 2D DZ Z1 1U Uf fU UZ ZU UU Ui iU Uo oR R1 1 A AR R3 3D DZ Z2 2I I1 1I I2 2R R2 2D DZ Z1 1U Uf fU UZ ZU Uo
28、oU Ui i0 0U U0L0LU U+L LU U0H0HU U+H H U Ui i继续下降，输出维持高电平端电压继续下降，输出维持高电平端电压U Uo o=U U0H 0H(R R2 2/R R3 3)U UZ Z ，而同相端和反相端电平翻转到而同相端和反相端电平翻转到 U U+H H(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 若若U Ui i上升，只要上升，只要U Ui i U U+H H 时，时，I I1 1换向换向(从负从负正正)，则，则D DZ Z2 2反向击穿反向击穿(D DZ Z1 1导通导通)比较器输出比较器输出U Uo o又转为低电平又转为低电平 U U0 0U U0L
29、0L=-(1+=-(1+R R2 2/R R3 3)U UZ Z 。此时，此时，U U=U U+=U U+L L=-(=-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z U Ui i继续上升，输出仍维持低电平继续上升，输出仍维持低电平U Uo o=U U0 0L L；而同而同/反相端电平已转为反相端电平已转为U U=U U+=U U+L L=-(=-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 。52 比较器的传输特性具有迟滞回线的形式，所以称为比较器的传输特性具有迟滞回线的形式，所以称为迟滞比较器迟滞比较器，由于，由于 比较门限电平的回差变化，又称比较门限电平的回差变化，又称回差比较器回差比较器。
30、此零电平比较器的比较电平不再是单一的零电平此零电平比较器的比较电平不再是单一的零电平(U UR R=0)=0)而是具有位于零电平附近的两个电平而是具有位于零电平附近的两个电平上上(大大)比较电平比较电平U U+H+H=(=(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 下下(小小)比较电平比较电平U U+L+L=-(=-(R R2 2/R R3 3)U UZ Z 两者之差称为两者之差称为滞后电平滞后电平。U U=U U+H HU U+L L=(=(U Uo oH HU UoLoL)R R2 2/(/(R R2 2+R R3 3)U U+H H =U Uo oH HR R2 2/(/(R R2 2+
31、R R3 3)U U+L L=U UoLoLR R2 2/(/(R R2 2+R R3 3)U U可由可由R R2 2R R3 3调节，适当选取调节，适当选取U U ，可消除，可消除“振铃振铃”现象。现象。但但U U的存在检测灵敏度的存在检测灵敏度 U U不宜过大，通常不宜过大，通常R R2 200时，时，D D导通，电容导通，电容C C被充电到的峰值被充电到的峰值峰值跟踪阶段峰值跟踪阶段，0 0A A段。段。当当U Ui i过峰值而下降时，过峰值而下降时，D D反偏而截止，由于反偏而截止，由于的反向电阻较大，电容的反向电阻较大，电容C C上的电荷因无放电回上的电荷因无放电回路而被保持下来路而
32、被保持下来保持阶段保持阶段，ABAB段。段。此后只有当此后只有当U Ui i上升到大于电容上升到大于电容C C上的电压上的电压(U Ui i U UC C)，D D才导通，使输出才导通，使输出U Uo o跟踪输入跟踪输入U Ui i ，直到，直到新的峰值，并保持下来。新的峰值，并保持下来。56U Ui iD DC CU Uo oR RL LR Rs s e es sUit0UiUoABCDEUo理想Uo实际2 2、误差分析、误差分析 实际二极管并不是理想元件。实际二极管并不是理想元件。电路输出端总有一定负载电阻电路输出端总有一定负载电阻(R RL L)。信号源也有一定内阻信号源也有一定内阻(R
33、 Rs s)。跟踪阶段跟踪阶段电容电容C C上电压上电压U UC C无法完全跟踪无法完全跟踪U Ui i，按一定的时间常数上升。，按一定的时间常数上升。保持阶段保持阶段U UC C将通过将通过R RL L进行放电，从而使进行放电，从而使U Uo o偏离被测信号峰值。偏离被测信号峰值。偏离的程度与元件的质量、取值有关。元件参数一旦确定，偏离值的偏离的程度与元件的质量、取值有关。元件参数一旦确定，偏离值的大小又与被测信号大小又与被测信号U Ui i有直接关系。有直接关系。57U Ui iD DC CU Uo oR RL LR Rs s e es sUit0UiUoABCDEUo理想Uo实际一、改善
34、二极管的非线性及消除不灵敏区一、改善二极管的非线性及消除不灵敏区将二极管放在运放的反馈回路中。将二极管放在运放的反馈回路中。U Ui i A A1 1U Uo oD D A A2 2C C此时，此时，D的等效开启电压为的等效开启电压为Ui=UD/A1d 式中式中A1d A1的开环增益，一般在的开环增益，一般在80dB以上以上(即即1000倍倍)。UD 二极管死区二极管死区(不灵敏区不灵敏区)电压，硅管电压，硅管UD 0.5V。Notes：Ui是一个很小的值，是一个很小的值，Ui 0。这就消除了二极管的不灵敏区。这就消除了二极管的不灵敏区。当当D导通后，导通后，A1工作在电压跟随状态，从而消除了
35、工作在电压跟随状态，从而消除了D的非线性影响。的非线性影响。58二、增加保持时间二、增加保持时间实际实际 D D的反向电阻及的反向电阻及A A1 1 A A2 2的输入阻抗并非无穷大。的输入阻抗并非无穷大。存储电容存储电容C C也存在漏电流。也存在漏电流。在在保持阶段保持阶段电容电容C C上的电压将通过上的电压将通过A A1 1 A A2 2 D D及及C C的等效漏电阻而放电，从而的等效漏电阻而放电，从而引起保持电压的漂移，其漂移率为引起保持电压的漂移，其漂移率为 D D=U Uo o /t t=I I漏漏 /C C式中，式中，I I漏漏 =I Ib b +I ID D+I IC CI Ib
36、 b A A1 1 A A2 2 的偏置电流和漏电流之和；的偏置电流和漏电流之和；I ID D D D 的反向饱和漏电流；的反向饱和漏电流；I IC C C C的漏电流。的漏电流。59NotesNotes：要要D D(电压漂移率电压漂移率)，增加，增加保持时间保持时间，可，可C C和和I I漏漏 实际电容实际电容C C值受工作速度的限制，且值受工作速度的限制，且C C其漏电流其漏电流I IC C 漏漏也大。也大。有效的方法是有效的方法是I I漏漏 ，其途径有二：，其途径有二：选用优质元件选用优质元件C C选聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小选聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小(I IC C 漏漏)的电
37、容的电容A A1 1A A2 2选场效应管作输入级的运放选场效应管作输入级的运放D D选开关特性好的形状二极管，或用场效应管代替选开关特性好的形状二极管，或用场效应管代替 改进电路改进电路如尽可能减小加在峰值检测二极管上的反向电压等。如尽可能减小加在峰值检测二极管上的反向电压等。60整流把正负极性交变的信号转换成单极性的直流信号，称为整流。线性整流单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流，称为线性整流，又称精密检波。绝对值电路又称全波整流电路。它的特点是能将交变的双极性信号转换为单极性信号。在自动检测仪表中常用这一特点来对信号进行幅值检测。uiRLuituRLtI0UDVr
38、=ctguiuDr61uiRLuituRLt利用二极管的单向导电性可以实现较大信号的检波，但由于二极管的正向伏安特性的非线性(r)及其阈值电压(UD)的存在，无法实现精密的线性检波。二极管的伏安特性为：)1(kTqVseIII0UDVr=ctguiuDr UD 二极管的阈值(导通)电压。r 二极管的动态电阻，表示当偏压高于UD后特性曲线的斜率。二极管的特性可用等效电路来描述。这里忽略了二极管的反向漏电流，实际上对于硅二极管，这种反向漏电流是相当小的。62uiuoDR例如：当输入信号为线性的三角波时，经二极管检波电路后的输出波形，将产生明显的畸变。I0UDUuo=IR0UDttui 输入信号越小
39、，畸变越严重；当输入信号0):Uo为负(0)D1导通，D2截止 D1导通，使运放处于深度负反馈状态。从而保证了运放的反相输入端“虚地”(Uin-=0)，由于输出信号(Uo)是从“虚地”取出，R2无电流流过，Uo=065 AUoUiUoR1R2RD1D2Ui负半周(Ui0)D1截止，D2的状态取决于Uo的大小：若UoUD，D2导通，运放处于反相比例放大工作状态，Uo=-(R2/R1)Ui，若取R1=R2，则Uo=-Ui。显然，D2导通，使A处于深度负反馈闭环工作状态，而D2又在反馈回路中。因此，D2导通后的非线性特性，由于负反馈的作用而明显改善，使检波电路的输出与输入之间具有良好的线性关系。由以
40、上分析 Uo=0，Ui0|Ui|，Ui0):A1是反相输入 D2截止，D1导通，此时，半波检波电路的输出电压(即A1的输出电压)Uo1=UiR2/R1加法器对两电压进行求和运算，其输出电压为Uo=(-UiR6/R4-Uo1R6/R5)=-(R6/R4-R6R2/R5R1)Ui若取R2=R1，R6=R4=2R5则Uo=Ui70Ui A1UoUo1R1R2D2D1 A2R5R4R6R7R3 Ui负半周(Ui0):A1是反相输入 D1截止，D2导通，则，Uo1被切断，不能输入到A2的输入端。Uo=UiR6/R4=Ui此时，Ui 0，Uo=|Ui|71绝对值电路波形和检波特性。uituot波形uoui
41、检波特性将电路中的(D1 D2)同时反接，即可获得负输出的绝对值电路。简单绝对值电路在频率较低时，能得到满意的结果。当频率较高时，由于前面的半波检波电路会产生相移，破坏了加法电路所实现的运算 关系，使输出波形失真而引起误差，应采用频率补偿来这种误差。72uituot波形uoui检波特性这种电路的精度，不仅与半波检波电路的精度有关，而且还与电阻的匹配精度有关。缺点：匹配电阻过多（需要5个R2=R1，R6=R4=2R5）输入阻抗低，Ri=R1/R6（反向输入结构）732、高输入阻抗的绝对值电路：简单绝对值电路，由于采用了反相输入结结构，其输入电阻较低，因而当信号源内阻较大时，在信号源与绝对值电路之
42、间就不得不接入缓冲级，从而使电路复杂化。为使电路简单，且输入阻抗又高，可将图中的运放接成同相输入。电路的输入阻抗约为两个运放的共模输入电阻的并联，可高达10M以上。Ui A1UoUo1R1R2D2D1 A2R3R4ab74Ui A1UoUo1R1R2D2D1 A2R3R4ab其工作原理同前电路基本相同Ui正半周(Ui0):A1是同相输入 D1截止，D2导通。A1工作于电压跟随状态，使Ua跟随Ui变化(Ua=Ui)；即相当于在A2的反相端加有信号Ui，同时Ui也加至A2的同相端。利用叠加原理iaioUURRRURRRU324324)1(75 Ui负半周(Ui0):Uo1 0，D3截止，D4导通。
43、此时，R2为D4提供直流通路，电路总输出Uo=Uo2由于A2实际上是一个电压跟随器，Uo2=Ui+则 Uo=Uo2=Ui+77 A1UoUiUo1 A2 Uo2R1R2R3R4R5D1D2D3D4 Ui负半周(Ui0，D1截止，D2导通。Uo2 0，D4截止，D3导通。R4为D2导通提供直流通断电路，整个电路构成了由R1 R2 A1组成的反相器，即，总输出Uo=R2/R1Ui若取R2=R1，则Uo=Ui=|Ui|78只要精确匹配R2=R1，就能实现高精度绝对值转 换。（选R4=R5是为了减小放大器偏置电流的影响 ，它们的失配会影响电路的平衡）。实际应用中，为确保D2和D4截止，常在D1和D3中 串入适当电阻，以提高D1和D3的反向偏置电压。D2D4均在反馈回路中，它们的正向压降对整个电 路灵敏度的影响被减少了K0倍。由于A2工作在反相状态，该电路的输入阻抗较低 ，主要取决于R1的大小，即Ri=R1。A1UoUiUo1 A2Uo2R1R2R3R4R5D1D2D3D479
