智能儀器設(shè)計(jì)：3-2 測量放大器

1、2 測量放大器的電路原理3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)4 測量放大器集成芯片5 測量放大器的使用6 隔離放大器1 概述3.2 測量放大器1 概述在數(shù)據(jù)采集中, 經(jīng)常會(huì)遇到一些微弱的微伏級信號(hào)，例如熱電偶的輸出信號(hào)，需要用放大器加以放大。運(yùn)算放大器+-運(yùn)算放大器同向輸入反向輸入輸出第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在1930年前后完成，這個(gè)放大器可以執(zhí)行加與減的工作。 60年代晚期，仙童半導(dǎo)體推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為 A709. A709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品 A741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運(yùn)算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個(gè)獨(dú)一無二

2、的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。 1 概述幾個(gè)影響運(yùn)算放大器精度的參數(shù) 失調(diào)電壓：當(dāng)運(yùn)放兩輸入為零時(shí)，輸出端存在的 電壓。 輸入失調(diào)電壓：運(yùn)放輸出端電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸 入端之間所加的補(bǔ)償電壓。 輸入偏置電流：當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)， 其兩輸入端的偏置電流平均值。 輸入失調(diào)電流：當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)， 其兩輸入端偏置電流的差值。 1 概述運(yùn)算放大器類型 通用型運(yùn)算放大器： 高阻型運(yùn)算放大器： 低溫漂型運(yùn)算放大器： 高速型運(yùn)算放大器： 低功耗型運(yùn)算放大器： 高壓大功率型運(yùn)算放大器：價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。差

3、模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小。 失調(diào)電壓小且不隨溫度的變化而變化。 具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。 測量放大器目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)uW級。 不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流 1 概述測量放大器測量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在檢測微弱信號(hào)的系統(tǒng)中，被廣泛用作前置放大器。通用運(yùn)算放大器，一般具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，不能用來放大微弱信號(hào)。2 測量放大器的電路原理 測量放大器構(gòu)成由兩級放大器構(gòu)成：兩個(gè)同相放大器A1、A2輸入阻抗高。普通差動(dòng)放大器A3，將雙端輸入變?yōu)閷Φ氐?/p>

4、單端輸入。Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6測量放大器原理電路IGU52 測量放大器的電路原理 測量放大器的增益Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6測量放大器原理電路IGU52 測量放大器的電路原理 測量放大器的增益Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6測量放大器原理電路IGU52 測量放大器的電路原理 測量放大器的增益Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6測量放大器原理電路IGU5為提高共模抑制比和降低溫漂影響，測量放大器采用對

5、稱結(jié)構(gòu)：R1=R2，R3=R4，R5=R62 測量放大器的電路原理 測量放大器的增益Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6測量放大器原理電路IGU5為提高共模抑制比和降低溫漂影響，測量放大器采用對稱結(jié)構(gòu)：R1=R2，R3=R4，R5=R6調(diào)節(jié)外接電阻RG的大小，可以改變測量放大器的增益?？构材８蓴_能力 對直流共模信號(hào)：2 測量放大器的電路原理 由于Ui1=Ui2，所以IG=0，U3=U4。當(dāng)R3=R4，R5=R6時(shí)，U0=0。測量放大器對直流共模信號(hào)的抑制比為無窮大?？构材８蓴_能力2 測量放大器的電路原理 對交流共模信號(hào)：Ui1Ui2+-A1 -+A2R

6、GR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6交流共模干擾影響IGU5Ri1Ri2C1C2由于輸入信號(hào)的傳輸線存在線阻Ri1、Ri2和分布電容C1、C2， Ri1C1、 Ri2C2分別對地構(gòu)成回路?？构材８蓴_能力2 測量放大器的電路原理 對交流共模信號(hào)：Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6交流共模干擾影響IGU5Ri1Ri2C1C2當(dāng)Ri1C1Ri2C2時(shí)，交流共模信號(hào)在兩運(yùn)放輸入端產(chǎn)生分壓Ui1、Ui2，且Ui1 Ui2，對輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾。 -+A4R1R2抗共模干擾能力2 測量放大器的電路原理 對交流共模信號(hào)：Ri1Ri2對交流共模干擾的抑制：在

7、輸入端加接一個(gè)輸入保護(hù)電路。Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6交流共模干擾抑制方法U5C1C2輸入信號(hào)的共模分量傳給屏蔽體 -+A4R1R2抗共模干擾能力2 測量放大器的電路原理 對交流共模信號(hào)：Ri1Ri2Ui1Ui2+-A1 -+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6交流共模干擾抑制方法U5C1C2當(dāng)R1= R2時(shí)，由于屏蔽層和信號(hào)線間對交流共模信號(hào)是等電位的，故C1、C2的分壓作用不存在，從而降低共模干擾的影響?？构材８蓴_能力2 測量放大器的電路原理 對交流共模信號(hào)：在弱信號(hào)、強(qiáng)干擾的環(huán)境中，普通的“高精度、低漂移”的運(yùn)放（如OP

8、07，AD517等），仍然無法代替測量放大器。普通運(yùn)放的輸入阻抗不可能做得很高，因此不適于作為多點(diǎn)檢測的前置放大器（因?yàn)樾盘?hào)源內(nèi)阻不同，放大器增益也不同）；普通運(yùn)放調(diào)節(jié)增益不方便，因?yàn)橐ＷC兩輸入端電阻對稱，必須在改變反饋量（調(diào)節(jié)增益）的同時(shí)，也要相應(yīng)調(diào)節(jié)另一輸入端等效輸入電阻；普通運(yùn)放抗共模干擾的能力低于測量放大器，尤其是對交流共模信號(hào)，原因是無法接入“輸入保護(hù)”電路。 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 1. 非線性度 非線性度:放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與 理想直線的偏差。 非線性度與增益有關(guān)，且對數(shù)據(jù)采集精度影響很大。例如：一個(gè)測量放大器，當(dāng)增益為1時(shí)，非線性度為0.025%；當(dāng)增益為500

9、時(shí)，非線性度有可能達(dá)到0.1%。如果將其用于一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器中，將會(huì)嚴(yán)重影響A/D轉(zhuǎn)換器的精度，相當(dāng)于變成了10位以下的轉(zhuǎn)換器。2. 溫漂溫漂：測量放大器輸出電壓隨溫度變化而 變化的程度。例如：一個(gè)溫漂2V/的測量放大器，當(dāng)增益為1000時(shí)，測量放大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于12位AD轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個(gè)LSB值。3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 通常測量放大器的輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生（150） V/變化，這也與測量放大器的增益有關(guān)。應(yīng)盡量選擇溫漂小的測量放大器。 3. 建立時(shí)間建立時(shí)間：指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至測量 放大器輸出電壓達(dá)到并保持在 給定誤差范

10、圍內(nèi)所需的時(shí)間。 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 放大器輸出電壓tUtU0驅(qū)動(dòng)信號(hào)建立時(shí)間誤差上偏差誤差下偏差3. 建立時(shí)間建立時(shí)間：指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至測量 放大器輸出電壓達(dá)到并保持在 給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 測量放大器的建立時(shí)間隨其增益的增加而增加。當(dāng)增益200時(shí)，為達(dá)到誤差范圍0.01%，往往建立時(shí)間達(dá)到50s 100s，有時(shí)甚至高達(dá)350s 。 例如：4. 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間：指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放 大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所 需的時(shí)間。放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 5. 電源引起的失調(diào)

11、電源引起的失調(diào)：電源電壓每變化1%，引起 放大器的漂移電壓值。 該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。6. 共模抑制比 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 共模抑制比：放大器對差模信號(hào)的電壓放大倍 數(shù)Aud與對共模信號(hào)的電壓放大 倍數(shù)Auc之比，稱為共模抑制比。 (dB) CMRR越大，此時(shí)差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大。 6. 共模抑制比 3 測量放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 電路對稱性：電路的對稱性決定了被放大后的信號(hào)殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號(hào)（干擾）的能力也就越差。放大器本身的線性工

12、作范圍 ：測量放大器工作線性范圍不是無限大的，當(dāng)共模信號(hào)超出了其線性范圍時(shí)，即使正常信號(hào)也不能被正常放大，更談不上共模抑制能力。影響共模抑制比的因素：4 測量放大器集成芯片 1. AD521AD521工作原理與測量放大器類似。采用14腳雙列直插式封裝。 1234567891011131214OUTOFF SETVINRG+INSENSEREFRSCOMPOFF SETRSV+RGAD521引腳功能4 測量放大器集成芯片 1. AD521123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本連接方法引腳4，6用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，將4，6端接到10K電

13、位器的兩個(gè)固定端。電位器滑動(dòng)端接負(fù)電源U-（腳5）。引腳10，13用于外接電阻RS，用于對放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)RS=100k15% 時(shí)，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。4 測量放大器集成芯片 1. AD521123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本連接方法引腳2，14用于外接電阻RG，用于調(diào)整放大倍數(shù)。測量放大器的放大倍數(shù):其放大倍數(shù)可在11000的范圍內(nèi)調(diào)整。4 測量放大器集成芯片 1. AD521123456781011121314+IN-INRG10KU-UOUTRS100KU+AD521基本連接方法技術(shù)指標(biāo)：共模抑制比100dB

14、(G=100時(shí))；輸入阻抗3109；增益帶寬大于2MHz；電壓放大倍數(shù)11000；電源電壓(518)V；過載能力較強(qiáng)，動(dòng)態(tài) 特性好。4 測量放大器集成芯片 2. AD522AD522可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集。采用14腳雙列直插式封裝。 1234567891011131214OUTOFF SETVINRG+INSENSEREFNCGNDOFF SETDATA GUARDV+RGAD522引腳功能4 測量放大器集成芯片 2. AD522引腳4，6用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，將4，6端接到10K電位器的兩個(gè)固定端。電位器滑動(dòng)端接正電源U+（腳8）。引腳13用于連接信號(hào)傳輸導(dǎo)線的屏蔽網(wǎng)，

15、以減少外電場對輸入信號(hào)的干擾。12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本連接方法U+4 測量放大器集成芯片 2. AD522引腳2，14用于外接電阻RG，用于調(diào)整放大倍數(shù)。測量放大器的放大倍數(shù):其放大倍數(shù)可在11000的范圍內(nèi)調(diào)整。12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本連接方法U+4 測量放大器集成芯片 2. AD522共模抑制比100dB (G=100時(shí))；輸入阻抗109；非線性度低：0.005% (G=100時(shí))；電源電壓(58)V；低漂移：2.0uV/。低噪聲：1.5mVp-p (0.1100Hz)。使用

16、了自動(dòng)激光調(diào)整 的薄膜電阻，因而公 差小、損耗低、體積 小、性能可靠。 技術(shù)指標(biāo)：12341367591112814+IN-INRG10KUOUTU-AD522基本連接方法U+5 測量放大器的使用1.AD521芯片的使用示例 當(dāng)使用AD521（或任何其他測量放大器）時(shí)，要特別注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，偏置電流就會(huì)對雜散電容充電，使輸出電壓漂移得不可控制。a) 與熱電耦直接相連負(fù)載1312711AD521RSRGb) 與變壓器相連負(fù)載1312711AD521RSRG偏置電流回路偏置電流回路5 測量放大器的使用1.AD521芯片的使用示例 當(dāng)使用AD521（或任何其他測量放大器）時(shí)，要

17、特別注意為偏置電流提供回路。如果沒有回路，偏置電流就會(huì)對雜散電容充電，使輸出電壓漂移得不可控制。c) 與交流信號(hào)通過電容相連負(fù)載1312711AD521RSRG偏置電流回路CCRAD521輸入端1或3直接或通過電阻與電源的地線構(gòu)成回路。5 測量放大器的使用2.AD522芯片的使用示例 12341367591112814+IN-INRG10KUOU-AD522用于測量電橋的電路U+U+負(fù)載AD522E1E2信號(hào)地測量電橋負(fù)載地信號(hào)回路負(fù)載回路+10uf 10uf信號(hào)地與電源地連接，為放大器的偏置電流構(gòu)成回路。參考端11接地，使負(fù)載電流流回電源地。5 測量放大器的使用2.AD522芯片的使用示例

18、12341367591112814+IN-INRG10KUOU-AD522用于測量電橋的電路U+U+負(fù)載AD522E1E2信號(hào)地測量電橋負(fù)載地信號(hào)回路負(fù)載回路+10uf 10uf引腳13為數(shù)據(jù)護(hù)衛(wèi)輸出端，可以提供輸入信號(hào)的共模分量，此共模分量傳給屏蔽電纜的屏蔽體，從而提高了交流CMRR。如果不用時(shí)，此腳應(yīng)空著。6 隔離放大器如果輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而測試現(xiàn)場的干擾比較大，對信號(hào)的傳遞精度要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。隔離放大器的特點(diǎn)：輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的。信號(hào)傳遞的主要方式:電磁耦合;光電耦合。6 隔離放大

19、器二極管 二極管型二極管 三極管型1. 光電耦合隔離放大器光敏二極管IoIiIiIo發(fā)光二極管發(fā)光二極管光敏三極管6 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器光電耦合器的特點(diǎn)：耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件；非線性器件傳輸模擬信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。克服非線性失真通常采取的措施:給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。采用負(fù)反饋技術(shù)。6 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器一種典型的光電耦合隔離放大器 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T1電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋：反饋信號(hào)取自輸出電壓u0，并轉(zhuǎn)換成反饋電流iF，與輸入電

20、流iI求差后放大。 6 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器一種典型的光電耦合隔離放大器 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T1電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋：從輸出電壓取樣，通過反饋網(wǎng)絡(luò)得到反饋電壓，然后與輸入電壓相比較，求得差值作為凈輸入電壓進(jìn)行放大 。 6 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T1工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RWuCE2uCE1= uCE2uCE16 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器 CA1

21、O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T1工作原理uCE2uCE1= uCE2uCE1uO= uCE1uI= uCE2uO = uI6 隔離放大器1. 光電耦合隔離放大器 CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T1工作原理uO = uI實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸兩地獨(dú)立兩地獨(dú)立輸入、輸出級之間是電氣絕緣的6 隔離放大器2. 變壓器隔離放大器輸入端與輸出端之間（包括它們所使用的電源之間）無直接耦合通路，其信息傳送通過磁路來實(shí)現(xiàn)。+-1A調(diào)制器隔 離電 源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuI調(diào)

22、制給輸入側(cè)提供能量兩側(cè)電源獨(dú)立解 調(diào)輸入、輸出側(cè)間電氣絕緣6 隔離放大器2. 變壓器隔離放大器+-1A調(diào)制器隔 離電 源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(VEE)變壓器隔離放大器AD277原理圖和引腳6 隔離放大器2. 變壓器隔離放大器AD277隔離放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入回路輸出回路開環(huán)增益：106dB；失調(diào)電壓：1.5uV；溫漂系數(shù)：3uV/；偏置電流：60nA；差動(dòng)輸入阻抗：4M ；共模輸入阻抗：100M 。隔離電阻： 1012 ；小信號(hào)帶寬：2.5kHz；滿功率帶寬：1.5kHz；供電電源電壓：14

23、V 16V；供電電源電流：35mA；工作溫度范圍：-25+85 。6 隔離放大器習(xí)題：設(shè)有一測量放大器如圖所示，已知R1=R2=5k，RG=100k，R3=R4=10k，R5=R6=20k，求：1. 此測量放大器的增益。2. 什么是測量放大器的共模抑制比CMRR？若R4的實(shí)際測量值為10.01 k，R5的實(shí)際測量值為20.02 k，其他電阻以及運(yùn)放都假設(shè)為理想精度，求此測量放大器的CMRR。答:(1) 測量放大器的增益為：6 隔離放大器習(xí)題：設(shè)有一測量放大器如圖所示，已知R1=R2=5k，RG=100k，R3=R4=10k，R5=R6=20k，求：1. 此測量放大器的增益。2. 什么是測量放大器的共模抑制比CMRR？若R4的實(shí)際測量值為10.01 k，R5的實(shí)際測量值為20.02 k，其他電阻以及運(yùn)放都假設(shè)為理想精度，求此測量放大器的CMRR。答:(2) 放大器的差模電壓增益與共模電壓增益之比稱為共模抑制比。共模抑制比CMRR用來衡量一個(gè)放大器抑制共模干擾的能力，表示為：其中，Ucm是共模干擾電壓，Un是由Ucm轉(zhuǎn)化成的差模干擾電壓。UO是輸出電壓，Aud是差模信號(hào)放大倍率，Auc是共模信號(hào)放大倍率。6 隔離放大器習(xí)題：設(shè)有一測量放大器如圖所示，已知R1=R2=5k，RG=100k，R3=R4=10k，R5=R6=20k，求：1. 此測量放大器的增益。2. 什么是