第四章集成運(yùn)放與模擬調(diào)理電路分析

1、集成運(yùn)放與調(diào)理電路分析集成運(yùn)放與調(diào)理電路分析電氣測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)理電路電氣測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)理電路 在現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)中，調(diào)理電路是一個(gè)重要組成部分，它位于傳感器和ADC之間，其功能可以概括成以下幾點(diǎn)：1放大作用：將傳感器的輸出的小信號(hào)放大成ADC所需要的單端（single-ended）電壓信號(hào)，所以調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)應(yīng)該使傳感器的測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)ADC的滿量程輸入電壓范圍。2共模抑制：針對(duì)含共模分量的差分信號(hào)輸入，調(diào)理電路的輸出應(yīng)只放大輸入的差模信號(hào)，輸出信號(hào)中共模分量理想情況下應(yīng)為零。3. 阻抗轉(zhuǎn)換：如果信號(hào)源的輸出電阻與放大電路的輸入電阻相比不能忽略，則需要調(diào)理電路將高阻信號(hào)源輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成低內(nèi)

2、阻信號(hào)后，再送至下級(jí)放大電路放大。4電氣隔離：電氣隔離是指高電壓和大電流的主回路與電子測(cè)量和控制系統(tǒng)間的隔離，隔離最好在傳感器/變換器處完成, 也可采用隔離調(diào)理電路, 實(shí)現(xiàn)的方法有光電隔離和變壓器隔離。易混淆術(shù)語理解易混淆術(shù)語理解集成運(yùn)放和集成運(yùn)放電路 集成運(yùn)放電路是指以集成運(yùn)放為核心構(gòu)造的放大電路，該放大電路除了包括集成運(yùn)放外，還包括輸入信號(hào)（源）、輸入阻抗、反饋?zhàn)杩沟取＜蛇\(yùn)放輸入阻抗和集成運(yùn)放電路的輸入阻抗 集成運(yùn)放的輸入阻抗一般在106以上，但集成運(yùn)放電路的輸入阻抗則與輸入阻抗、反饋?zhàn)杩褂嘘P(guān)，特別是在反相放大電路中，輸入阻抗就等于輸入阻抗。差分信號(hào)、串模信號(hào)和共模信號(hào) 差分信號(hào)一般是指

3、共模信號(hào)和串模信號(hào)的疊加。共模信號(hào)是當(dāng)串模信號(hào)為零時(shí)信號(hào)兩極對(duì)公共參考端的電壓或同向的電流。集成運(yùn)算放大器詳解集成運(yùn)算放大器詳解 由于運(yùn)算放大器功能的多樣性，它可以極大地簡(jiǎn)便電路的設(shè)計(jì)，并在可靠性、一致性、耗電、所需PCB面積等方面具有分立器件電路無法比擬的優(yōu)勢(shì), 因此選用適合的集成運(yùn)算放大器的成了調(diào)理電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。目前，國(guó)際上著名的半導(dǎo)體公式都推出了很多高性能的集成運(yùn)算放大器，其中美國(guó)模擬器件半導(dǎo)體公司（Analog Devices）在該產(chǎn)品領(lǐng)域具有領(lǐng)先的設(shè)計(jì)和門類齊全的產(chǎn)品線，德州儀器在這方面也占有重要地位。運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 高速放大器（大于等于 50MHz） (164)

4、 精密放大器 (510) 低功耗 (117) 低輸入偏置電流/FET 輸入 (31) 低噪聲 (45) 寬帶 (135) 低偏移電壓 (99) 高電壓 (4) (40V)高輸出電流 (44) (100mA)標(biāo)準(zhǔn)線性放大器 (206) 比較器比較器 (82) 儀表放大器儀表放大器 (31) 單電源 (17) 雙電源 (12) 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器 (25) 可編程增益放大器可編程增益放大器 (11) 隔離放大器隔離放大器 (3) 特殊功能放大器特殊功能放大器 跨導(dǎo)放大器 (3) 對(duì)數(shù)放大器 (7) 多路復(fù)用器 (4) 乘法器 (1) PWM 功率驅(qū)動(dòng)器 (16) 可變?cè)鲆娣糯笃骺勺冊(cè)鲆娣糯笃?(

5、21) 某著名半導(dǎo)體公司的運(yùn)算放大器產(chǎn)品目錄某著名半導(dǎo)體公司的運(yùn)算放大器產(chǎn)品目錄種類繁多種類繁多區(qū)別何在區(qū)別何在?如何選擇如何選擇?理解重要的技術(shù)參數(shù)是關(guān)鍵理解重要的技術(shù)參數(shù)是關(guān)鍵.1.1.集成運(yùn)放選用一般原則集成運(yùn)放選用一般原則 信號(hào)調(diào)理電路是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。模擬信號(hào)的放大常選用集成運(yùn)放。集成運(yùn)放主要可分為通用型、低失調(diào)型、高輸入阻抗型、高速型、儀表運(yùn)放、差分放大器、可程控增益型和隔離型等。首先要根據(jù)所放大信號(hào)的主要特點(diǎn)和系統(tǒng)環(huán)境選用合適的運(yùn)放。在滿足所需電氣特性的前提下，選用性能價(jià)格比高、通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的運(yùn)放。通用型運(yùn)放直流性能較好，種類多，價(jià)格低。使用運(yùn)放數(shù)量較多時(shí)，可

6、選擇雙運(yùn)放或四運(yùn)放，縮小體積和降低成本。若信號(hào)源內(nèi)阻很大，則可選用高輸入電阻的運(yùn)放。另外，像采樣/保持、峰值檢波、對(duì)數(shù)放大或反對(duì)數(shù)放大器、積分器和生物電信號(hào)的放大及提取、測(cè)量放大電路等均要求輸入阻抗“高”。若放大線路要求低噪聲、低漂移和高精度，則應(yīng)選擇低失調(diào)、低漂移的低噪聲運(yùn)放。視頻信號(hào)的放大、處理等場(chǎng)合應(yīng)選擇高速寬帶運(yùn)放。總之，選擇運(yùn)放時(shí)，要視系統(tǒng)對(duì)放大電路的要求，作分析和耐心挑選，避免盲目選用高檔的運(yùn)放。2 2、對(duì)通用集成運(yùn)算放大器的再認(rèn)識(shí)、對(duì)通用集成運(yùn)算放大器的再認(rèn)識(shí)通用型運(yùn)放的品種、規(guī)格、型號(hào)很多，各公司生產(chǎn)的型號(hào)有別，常用的有：A741、LM324、LM358、OP07、OP117、

7、TL082/084等。圖4-1 A741的引腳功能及典型接法uA741原理圖1. Q1/Q2級(jí)電路構(gòu)成了差分輸入級(jí),有利于抑制輸入信號(hào)中的共模分量2. Q14/Q20級(jí)電路構(gòu)成了推挽輸出級(jí),可減小電路的輸出電阻,增強(qiáng)帶負(fù)載能力3. Q8/Q9、Q12/Q13、Q5/Q6、Q10/Q11等對(duì)管電路構(gòu)成鏡像電流源,而電流源的動(dòng)態(tài)電阻很高，可以實(shí)現(xiàn)極高的電壓增益。uA741雖然是幾十年前的典型集成運(yùn)放，但以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在今天的運(yùn)放中仍隨處可見。圖4-2 LM124/224/324 集成運(yùn)放a）引腳功能 b）基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用 c）斯密特觸發(fā)電器單運(yùn)放單運(yùn)放LM324LM324的原理圖的原理圖通用運(yùn)放電路的

8、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通用運(yùn)放電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差分輸入放大電路 理想的差分電路應(yīng)該完全平衡,元件參數(shù)嚴(yán)格匹配 實(shí)際很難完全平衡,出現(xiàn)失調(diào)電壓和失調(diào)電流.推挽輸出電路(push-pull) 降低輸出電阻 增強(qiáng)帶負(fù)載能力輸出電壓的擺幅取決于上拉管和下拉管的飽和壓降Vces（Rail to Rail除外） 最高輸出正電壓=V+-Vces 最低輸出負(fù)電壓=V-+VcesC1（30pF）補(bǔ)償電容防止閉環(huán)應(yīng)用出現(xiàn)自激振蕩。高速運(yùn)放需要使用更小的電容，當(dāng)閉環(huán)放大倍數(shù)太小時(shí)，太強(qiáng)的反饋容易引起自激振蕩。集成運(yùn)放的輸入失調(diào)現(xiàn)象集成運(yùn)放的輸入失調(diào)現(xiàn)象1.輸入失調(diào)現(xiàn)象對(duì)集成運(yùn)放的放大精度（零位及線性度）有重要影響，相關(guān)的參數(shù)有輸入

9、失調(diào)電壓（input offset voltage）、輸入失調(diào)電流（input offset current）和共模抑制比CMRR（common mode restriction ratio）。2. 輸入失調(diào)現(xiàn)象與集成運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路是否完全對(duì)稱或平衡密切相關(guān)。理想的差分放大電路應(yīng)該Q1與Q4、Q2與Q3、Q8與Q9完全匹配，以保證差分放大電路對(duì)雙端對(duì)地輸入有一致的放大，而差分輸出值反映兩個(gè)輸入端的電位差（即差模信號(hào)），而兩個(gè)輸入端共有的共模分量則被完全抑制。但實(shí)際的差分放大電路與理想的差分放大電路還是有差異。舉例來說，圖3中的LM324內(nèi)部輸入級(jí)Q1與Q4 的電流放大系數(shù)12，當(dāng)輸入差

10、模信號(hào)為零，反向和同相輸入端都只包含相同的對(duì)地分量（即共模分量）時(shí)，組成差分放大電路的兩個(gè)單端信號(hào)放大電路必然輸出不對(duì)稱，也就是說差動(dòng)輸出不為零，這種現(xiàn)象就是運(yùn)放的輸入失調(diào)輸入失調(diào)。當(dāng)然還有其它要求對(duì)稱的參數(shù)的失配同樣會(huì)影響差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力，如從運(yùn)放兩個(gè)輸入端看出去的信號(hào)源內(nèi)阻抗（包括信號(hào)導(dǎo)線的阻抗）不平衡就常常導(dǎo)致某些放大電路雖然采用了共模抑制性能優(yōu)異的集成運(yùn)放，通常放大電路的共模抑制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到集成運(yùn)放的共模抑制性能。運(yùn)放性能指標(biāo)運(yùn)放性能指標(biāo)-輸入失調(diào)指標(biāo)輸入失調(diào)指標(biāo)1.輸入失調(diào)電壓input offset voltage -UOS 為了糾正這種由參數(shù)不對(duì)稱所造成的非零差動(dòng)

11、輸出，可以在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間加上一個(gè)直流偏置電壓，通過調(diào)整這個(gè)電壓使得運(yùn)放的輸出為零，這個(gè)直流偏置電壓就被稱為輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓的大小主要就反應(yīng)了該集成運(yùn)放內(nèi)部差分電路參數(shù)的不對(duì)稱或不平衡程度。 用集成運(yùn)放構(gòu)成的集成放大電路的輸入阻抗失配同樣會(huì)影響差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力。從運(yùn)放兩個(gè)輸入端看出去的信號(hào)源內(nèi)阻抗（包括信號(hào)導(dǎo)線的阻抗）不平衡就常常導(dǎo)致某些放大電路雖然采用了共模抑制性能優(yōu)異的集成運(yùn)放，但放大電路的共模抑制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到集成運(yùn)放的共模抑制性能。2.輸入失調(diào)電壓溫漂-dUOS/dT在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電壓的變化量即為輸入失

12、調(diào)電壓溫漂。3.輸入失調(diào)電流input offset current -IOS輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器兩個(gè)輸入端偏置電流之差即為輸入失調(diào)電流。4.輸入失調(diào)電流溫漂-dIOS/dT運(yùn)算放大器在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電流變化量即為輸入失調(diào)電流溫漂。B2B1OSIII差模電壓增益-A0放大器在開環(huán)時(shí)(沒有外部反饋)輸出直流電壓增量與輸入直流差模電壓增量之比，即為開環(huán)差模電壓增益：AOd=Uo/UIAo通常以dB表示：A0=20lgUo/UI(dB) 理想情況 Ao 為無窮大； 實(shí)際情況 Ao為 100 140 dB。2. 共模抑制比-CMRR運(yùn)算放大器的差模電壓增益與共模電壓增

13、益之比，即為共模抑制比。CMRR一般用dB來表示。 CMRR=20lgUod/Uoc(dB) Uoc:輸出差分電壓 Uod:輸出共模電壓 CMRR是從運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)和差模輸入信號(hào)的區(qū)別性放大的角度來說明輸入失調(diào)的程度。理想的運(yùn)放由于不存在輸入失調(diào)，完全對(duì)稱的差分放大電路應(yīng)該是只放大差模輸入電壓，而對(duì)共模輸入的電壓增益為零，即完全抑制。所以，理想的CMRR是無窮大的。當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)放由于或多或少存在輸入失調(diào)的問題，CMRR不可能無窮大，集成運(yùn)放CMRR一般在80dB-120dB，少數(shù)可達(dá)140dB。運(yùn)放性能指標(biāo)運(yùn)放性能指標(biāo)-增益增益集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)響應(yīng)集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)響應(yīng)根據(jù)理想運(yùn)算放大器的輸入輸

14、出特性可知，理想集成運(yùn)放應(yīng)該對(duì)任何頻率的輸入信號(hào)具有完全一致的放大特性。而實(shí)際上由于集成運(yùn)放電路內(nèi)部分布電容、布線電感的存在，當(dāng)輸入信號(hào)頻率很高時(shí)，這些分布電容和電感將不能忽略，從而影響了信號(hào)的線性放大。由于集成運(yùn)放的開環(huán)增益很高，為了避免閉環(huán)放大出現(xiàn)振蕩，生產(chǎn)廠家也常在環(huán)路中設(shè)計(jì)電容來保證集成運(yùn)放閉環(huán)反饋應(yīng)用的穩(wěn)定。這些影響可以用動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)來描述，如單位增益帶寬(bandwidthgain=1)、電壓擺率（slew rate）等。集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)指標(biāo)集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)指標(biāo)-3dB帶寬和單位增益帶寬 -3dB帶寬是指集成運(yùn)放在小電壓信號(hào)輸入條件下開環(huán)增益幅頻特性從直流增益下降到-3dB（對(duì)

15、應(yīng)的電壓放大倍數(shù)為10-3db/20=0.707）時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。電壓增益越高，則帶寬范圍越小，不同電壓增益下該增益與帶寬的乘積為一個(gè)常數(shù)，稱為增益帶寬積（Gain Bandwidth Product），它實(shí)際上就等于單位增益下的帶寬，如AD620的單位增益帶寬為1000kHz。應(yīng)該注意的是，當(dāng)輸入信號(hào)頻率超過-3dB帶寬后，增益帶寬積將不再等于單位增益帶寬，并越來越小。集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)集成運(yùn)放的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)2. 轉(zhuǎn)換速率(電壓擺率)SR(V/us)：運(yùn)算放大器在額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化速率(Slew Rate)。該指標(biāo)以階躍響應(yīng)的上升速率來反映

16、放大電路響應(yīng)快速變化信號(hào)的能力。例如OP07的電壓擺率為0.3V/s而OPA637的SR=135 V/s ，明顯比OP07快。在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的 SR 值，否則輸出電壓會(huì)因集成運(yùn)放來不及響應(yīng)而產(chǎn)生畸變。高速運(yùn)放有較高的SR，用于大脈沖信號(hào)延時(shí)?。粚拵н\(yùn)放用于高頻小信號(hào)的放大。運(yùn)放性能指標(biāo)運(yùn)放性能指標(biāo)- -極限輸入?yún)?shù)極限輸入?yún)?shù)(6)最大輸入差模電壓UIDM運(yùn)算放大器兩輸入端所能承受的最大電壓差即為最大輸入差模電壓UIDM。(7)最大輸入共模電壓UICM運(yùn)算放大器兩輸人端輸入共模電壓UCM，當(dāng)UCM增加到使其共模抑制比下降6dB(106/20=2)時(shí)的值即為最

17、大輸人共模電壓UICM。集成運(yùn)放的輸出特性參數(shù)集成運(yùn)放的輸出特性參數(shù)(1)輸出電壓的擺幅 集成運(yùn)放的輸出電壓范圍總是在運(yùn)放的正負(fù)電源電壓所規(guī)定的上下限以內(nèi)。早期產(chǎn)品的最高輸出正電壓VOH和最低的輸出VOL一般距離其正負(fù)電源電壓有一段小“距離”。這個(gè)“距離”主要是由于其推挽輸出電路中的上拉管和下拉管的壓降造成的，例如ADI的低成本儀表放大器AD620A的最高輸出電壓為比正電源電壓低1.2V，而最低輸出電壓比負(fù)電源電壓高1.1V。 “軌對(duì)軌”（rail-to-rail）輸出擺幅的集成運(yùn)放是指其輸出的最高和最低電壓分別可達(dá)到正、負(fù)電源電壓，例如ADI公司的OP191系列集成運(yùn)放的輸出電壓擺幅只比正負(fù)

18、電源電壓范圍小1-2mV。這種輸出擺幅的擴(kuò)大對(duì)于作為A/D輸入前級(jí)的運(yùn)放有重要意義，特別在采用3.3V電源的低電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中(ADC的輸入電壓范圍一般為0-3V)。假如ADC前級(jí)的運(yùn)放輸出電壓擺幅只有0.5V2.5V，則ADC就會(huì)損失上下各0.5V的輸入電壓范圍，并且損失的2.5V3.0V輸入電壓范圍的轉(zhuǎn)換精度最高。而如果想要充分利用ADC的3V的輸入電壓范圍，只有提高前級(jí)運(yùn)放的電源電壓，這樣就至少需要2組不同的電源電壓分別為運(yùn)放和ADC供電。輸出特性參數(shù)輸出特性參數(shù)（2）輸出電流 按照集成運(yùn)放的輸出電流的流向不同，分為灌電流(source current)和拉電流（sink curren

19、t），前者是指電流由集成運(yùn)放通過輸出管腳流向外部電路，而拉電流則相反。除非特別申明具有大電流輸出特性，一般運(yùn)放的輸出電流的極限在10-20mA，但長(zhǎng)期工作的輸出電流則在幾個(gè)mA。3.3.高精度通用集成運(yùn)放高精度通用集成運(yùn)放最典型的是ADOP07,OP117,輸入失調(diào)電壓,從741的1mV減小到10uV ,非?？捎^!圖6-10 ADOP07集成運(yùn)放a）引腳功能 b）典型接法高精度運(yùn)放的實(shí)質(zhì)高精度運(yùn)放的實(shí)質(zhì)-低失調(diào)低失調(diào)提高運(yùn)放精度的手段:原理不變, 改進(jìn)IC生產(chǎn)工藝,使差分電路更趨平衡; 如uA741-LM324-Op07分別是各自時(shí)期的典型代表, 輸入失調(diào)都有不同程度的改進(jìn).輔以外部調(diào)零,盡可

20、能克服輸入失調(diào) 外設(shè)調(diào)零電位器，補(bǔ)償輸入差分電路的不平衡 缺點(diǎn): 靜態(tài)調(diào)零，無法解決失調(diào)的溫漂。改進(jìn)原理, 采用動(dòng)態(tài)調(diào)整失調(diào)技術(shù)斬波斬波- -穩(wěn)零穩(wěn)零(chopper-stablizer)(chopper-stablizer)運(yùn)放運(yùn)放, ,見下頁見下頁. .斬波斬波-穩(wěn)零穩(wěn)零(chopper-stablizer)運(yùn)放運(yùn)放-動(dòng)態(tài)調(diào)輸入失調(diào)的運(yùn)放動(dòng)態(tài)調(diào)輸入失調(diào)的運(yùn)放圖6-11 ICL7650集成運(yùn)放a）引腳功能 b）典型接法1、工作過程分兩個(gè)階段 開關(guān)和導(dǎo)通，/和斷開，NULL運(yùn)放檢測(cè)自己的失調(diào)電壓，調(diào)節(jié)CEXTA的補(bǔ)償電壓 開關(guān)和斷開，/和斷開，NULL運(yùn)放檢測(cè)MAIN運(yùn)放的失調(diào)電壓，調(diào)節(jié)CEX

21、TB的補(bǔ)償電壓2. 箝位電路（CLAMP）。它實(shí)際上是一個(gè)當(dāng)輸出與電源電壓相差接近1V時(shí)動(dòng)作的開關(guān)，把CLAMP與運(yùn)放的反相輸入端短接，則其引入的深度負(fù)反饋可使電路在過載時(shí)的增益大大下降以防止飽和。它可以加速電路在過載后的恢復(fù)。3. 調(diào)節(jié)過程損失響應(yīng)速度，適合直流和低頻信號(hào)的放大。ICL7650工作原理典型通用運(yùn)放主要指標(biāo)對(duì)比典型通用運(yùn)放主要指標(biāo)對(duì)比uA741/LM324OP-07ICL7650LF347AD521輸入失調(diào)電壓Input offset voltage5mV30-85uV5uV3mV3mV輸入失調(diào)電流Input offset current2nA0.8nA0.5pA20nA輸入偏

22、置電流Input bias current20nA2nA-10pA1pA80nA輸入電阻1-10M31M106M106M103M差模增益100dB104dB134dB100dB100dB共模抑制比CMRR90dB110dB130dB100dB100dB通用集成運(yùn)放電路的局限通用集成運(yùn)放電路的局限適用的輸入電壓信號(hào)必須是單端信號(hào)（單端信號(hào)（single-ended）, 即輸入電壓必須有一端是放大電路的公共端，不能是含有共模信號(hào)的差分輸入（differential input）電壓信號(hào)。這是通用運(yùn)放的“死穴”。 通用集成運(yùn)放本身的輸入電阻非常高（通常在109以上），但與外部電阻構(gòu)成閉環(huán)反相放大電路

23、后，放大電路的輸入電阻Rin=R1（一般在1k-100k范圍），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于集成運(yùn)放的輸入電阻。當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻抗較大時(shí)，信號(hào)電壓將會(huì)在內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生較大壓降，可能嚴(yán)重影響信號(hào)源的正常輸出，導(dǎo)致放大器得不到期望的信號(hào)輸入。圖4-1可調(diào)電阻Null是用于調(diào)節(jié)輸入失調(diào)（Null Offset）。即當(dāng)輸入Vin為零而輸出不為零時(shí)，通過調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻，使輸出為零。顯然，這是一種靜態(tài)調(diào)零，當(dāng)電路參數(shù)出現(xiàn)漂移時(shí)，零位還需要再調(diào)。用通用運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路用通用運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路改進(jìn):可以放大差分信號(hào)中的Vid(差模信號(hào)),并輸出單端信號(hào)(容易與后續(xù)電路搭配).不足:輸入阻抗 (R1+Rf)低,要求信號(hào)源內(nèi)阻遠(yuǎn)

24、小于(R1+Rf),不是任何時(shí)候都能滿足.理解差模信號(hào)Vid和共模信號(hào)Vic和公共端.共模信號(hào)與共模抑制共模信號(hào)與共模抑制常見的共模信號(hào) 電橋電路的輸出 采樣電流的電阻位于高端(high side) 三相電氣設(shè)備(如電機(jī))的供電回路中 逆變電路H橋高端 多點(diǎn)接地時(shí)出現(xiàn)不同地電位 信號(hào)輸入回路與外電場(chǎng)發(fā)生靜電耦合電橋輸出含共模電橋輸出含共模高端（高端（high side）電流采樣電阻兩端的電壓）電流采樣電阻兩端的電壓含高共模信號(hào)含高共模信號(hào)不同地電位造成的共模信號(hào)不同地電位造成的共模信號(hào)多點(diǎn)接地的地電位差引起的共模分量UG 電容耦合造成共模信號(hào)電容耦合造成共模信號(hào)靜電場(chǎng)耦合引起共模電壓高共模的危

25、害高共模的危害假如在輸出負(fù)電壓時(shí)共模輸入超過B點(diǎn)（或在輸出正電壓時(shí)共模輸入超過D點(diǎn)），則可能的最大輸出電壓出現(xiàn)拐點(diǎn)并向水平零線傾斜，可能的輸出范圍變小。當(dāng)輸入共模電壓達(dá)到約3.5V時(shí)，可能的最大輸出電壓只有零，也即無論輸入差模多大，放大電路增益如何，都不會(huì)有輸出，這時(shí)集成儀表放大器的輸入就完全被高共模輸入“阻塞”了?！白枞爆F(xiàn)象說明集成運(yùn)放的輸入差分對(duì)管在高共模輸入電壓下進(jìn)入飽和狀態(tài)，喪失放大能力。關(guān)于“六邊形”的負(fù)共模輸入，也是同樣的原理，不再贅述。圖 AD623的共模輸入對(duì)可能的最大輸出的限制縱坐標(biāo)表示的是針對(duì)差模輸入分量進(jìn)行放大后可能的最大輸出。顯然，使用集成儀表放大器時(shí)，應(yīng)當(dāng)將共模輸入

26、分量限制在圖中的AB或ED邊線所對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)姆秶詢?nèi)。共模信號(hào)分量在存在輸入失調(diào)的共模信號(hào)分量在存在輸入失調(diào)的差分放大電路中的表現(xiàn)差分放大電路中的表現(xiàn)4 4 高輸入阻抗集成運(yùn)放高輸入阻抗集成運(yùn)放該類運(yùn)放的輸入阻抗一般為1071012M。通常采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成差分輸入級(jí)，以提高輸入阻抗，且兼有高速、寬帶，低失調(diào)電流、低諧波失真及低噪聲等特點(diǎn)。廣泛用于高速積分、快速D/A、采樣/保持電路及一般放大器中。常用的高輸入阻抗運(yùn)放有：LF347、 LF356、CA3140、DG3140等許多型 號(hào)，各公司產(chǎn)品的型號(hào)也不一樣。圖6-13 LF347的引腳功能5 5 儀表放大器儀表放大器儀表放大器：儀表放大器本

27、身就是閉環(huán)的放大電路,很高的輸入阻抗（通用運(yùn)放構(gòu)成的閉環(huán)反向放大電路閉環(huán)反向放大電路的輸入阻抗不高） 可以對(duì)差分信號(hào)的進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)化為單端對(duì)地信號(hào)，習(xí)慣上稱這種放大器為測(cè)量放大器。集成儀表放大器都具有一定的抑制共模輸入的能力，一般將特別設(shè)計(jì)的專門應(yīng)對(duì)高共模輸入的集成儀表放大器稱為集成差分放大器選好、用好集成儀表放大器和集成差分放大器，需要理解最基本的三運(yùn)放儀表放大器。圖6-15 AD521 測(cè)成測(cè)量放大器a）引腳功能 b）基本接法三運(yùn)放儀表放大電路三運(yùn)放儀表放大電路該電路分為兩級(jí)：第一級(jí)由A1和A2構(gòu)成高阻抗的差分電壓放大器，該級(jí)的輸出可以看成兩個(gè)同相放大器（分別由A1、0.5RG、R1和A

28、2、0.5RG、R1組成）的輸出電壓VA和VB之差，仍是差分信號(hào)，且差分信號(hào)電壓放大倍數(shù)為（1+R1/0.5RG）。由于A1和A2的輸出電阻非常低，輸出電壓很容易傳遞給后級(jí)的放大電路。第一級(jí)放大電路的另一個(gè)重要作用就是抑制輸入信號(hào)中的共模分量，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，圖中所示的基本儀表放大電路的共模輸入分量的范圍是不能超出集成運(yùn)放A1和A2的正負(fù)電源電壓范圍的。否則就會(huì)造成A1和A2的輸出飽和，輸入的差模信號(hào)無論怎樣“完美”，也不會(huì)在輸出得到絲毫體現(xiàn)，好像實(shí)際輸入的有用信號(hào)被過高的共模“堵塞”了一樣。所以，本電路只能針對(duì)含較低（正負(fù)電源電壓范圍以內(nèi)甚至更小）共模分量的差分信號(hào)的放大和阻抗變換。第二級(jí)由A

29、3與四個(gè)電阻構(gòu)成一個(gè)差分電壓放大器，其輸出信號(hào)Output是相對(duì)Reference端的單端信號(hào)，本級(jí)的電壓放大倍數(shù)為R3/R2。三運(yùn)放儀表放大電路分析三運(yùn)放儀表放大電路分析Reference端接VREF時(shí)，由于A3的兩個(gè)輸入電流近視為零，有： (4-1) (4-2)根據(jù)運(yùn)放“虛短”原則有VC=VD，用（4-1）式減（4-2）式，得： (4-3)32RVVRVVoutDDA32RVVRVVREFCCB32RVVRVVOUTREFBA將VA、VB代入式(4-3)，整理可得：REFININGoutVVVRRRRV)()21 (21231REFINVoutVVKV*或結(jié)論：結(jié)論：差分輸入，單端輸出。差

30、分輸入，單端輸出。差分放大倍數(shù)為差分放大倍數(shù)為KV。1.輸出被向上平移了輸出被向上平移了 VREF。對(duì)交流電氣。對(duì)交流電氣量的數(shù)字化測(cè)量非常重要。量的數(shù)字化測(cè)量非常重要。，Reference端的使用端的使用Reference在一般的應(yīng)用中接電源地，但當(dāng)后級(jí)為單級(jí)性的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，Reference端接A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，可以給輸出電壓加上一個(gè)恒定的偏置電壓，從而允許放大電路的輸入VIN為雙極性的信號(hào)，這大大簡(jiǎn)化了交流電氣量的A/D轉(zhuǎn)換前級(jí)的放大電路的設(shè)計(jì)。舉例說明： 設(shè)VIN=Sin314t（V），A/D輸入電壓范圍為0-3V，利用圖4-4所示電路作為ADC的前級(jí)調(diào)理電路，則VREF應(yīng)接

31、在0-3V的中點(diǎn)即1.5V的參考電壓上（利用ADC的參考電壓或外部專門的參考電壓源），同時(shí)把VIN放大1.5倍，這樣就可充分利用ADC的輸入電壓范圍來轉(zhuǎn)換輸入交流電壓（-1V+1V）。典型集成儀表放大器產(chǎn)品典型集成儀表放大器產(chǎn)品AD62X系列系列ADI的AD62x系列通用集成儀表放大器因其性價(jià)比較高，應(yīng)用廣泛。右圖是AD623的內(nèi)部原理圖。其基本電路還是三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器，主要不同點(diǎn)在于輸入PNP管（Q1、Q2）可以將輸入共模電壓電平上移從而可以允許低于負(fù)電源電壓0.2V的電壓輸入。其次，輸入端的兩個(gè)嵌位二極管可以提供輸入過壓保護(hù)。 電壓增益Gain=1+100k/RG。 集成儀表放大器產(chǎn)

32、品集成儀表放大器產(chǎn)品AD62X系列系列通用儀表放大器AD623用來放大直流電阻電橋的輸出。圖中差模電壓一般在mV級(jí),而兩個(gè)輸入端輸入的同極性、同幅值的共模電壓分量約為2.5V（電橋的直流偏壓）。抑制電源電壓范圍內(nèi)的共模分量是使用儀表放大器的主要原因。儀表放大器的儀表放大器的Data Guard輸出輸出Data GuardData Guard對(duì)抗輸入信號(hào)電纜的電容與外電場(chǎng)的不平衡耦合對(duì)抗輸入信號(hào)電纜的電容與外電場(chǎng)的不平衡耦合. .集成差分放大器集成差分放大器AD8200系列系列集成儀表放大器的共模抑制比CMRR雖然很高，但允許輸入的共模電壓范圍卻受正負(fù)電源電壓的范圍限制。在有些應(yīng)用中，前置放大器的共模輸入電壓范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電源電壓范圍，集成差分放大器在集成儀表放大器的前級(jí)增加一個(gè)專門抑制高共模輸入的差分放大級(jí)。ADI的AD8200系列在單+5V供電時(shí)允許的共模電壓范圍為-8V+28V，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-8所示，A2為AD623類似的儀表運(yùn)放，增加的A1與兩側(cè)的分壓電阻配合，可以擴(kuò)展輸入共模電壓的范圍。集成差分放大器集成差分放大器AD8210系列系列圖4-9是用分流電阻測(cè)量電流的例子。由于分流電阻與H橋驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電機(jī)串聯(lián)，共模電壓主要取決于直流母線的電壓水平。如果直流母線的電壓高于28V，通用型儀表放大器和AD8200系列的共