現(xiàn)代電子技術(shù)及應(yīng)用-2014-第二章放大電路

1現(xiàn)代電子技術(shù)及應(yīng)用馬牧燕，呂勇lvyong222@163.com

2014年第一次實(shí)驗(yàn)情況23第二章信號(hào)放大電路放大電路基本知識(shí)集成運(yùn)算放大器專用（傳感）信號(hào)放大器（一）儀表放大器（二）隔離放大器（三）可變?cè)鲆娣糯笃鳎ㄋ模╇姌蚍糯笃鳎ㄎ澹﹤鞲蟹糯笃鳎┑推品糯笃鳎ㄆ撸拵Ц咚俜糯笃?放大電路基本知識(shí)類型：

電壓、電流、互阻、互導(dǎo)性能指標(biāo)：

輸入電阻/輸出電阻、增益、頻率響應(yīng)及帶寬、非線性失真負(fù)反饋（1927年，貝爾實(shí)驗(yàn)室，HaroldBlack，渡船）概念（深度負(fù)反饋）影響：改善失真（線性（擴(kuò)展帶寬）/非線性）降低靈敏度（提高穩(wěn)定性）改變輸入輸出阻抗不能提高信噪比四種負(fù)反饋（書）5集成運(yùn)算放大器電子電路的基本器件！60年代初，仙童（Fairchild)，741，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性能優(yōu)異近似理想特性，如電壓增益高（80-140dB）實(shí)現(xiàn)信號(hào)源、放大器和負(fù)載的直接耦合連接輸入零電平輸出也是零電平低頻響應(yīng)擴(kuò)展到直流工藝（雙極型、MOS、BiMOS等）通用/專用6集成運(yùn)算放大器總體結(jié)構(gòu)＋－u-－u+uo國際符號(hào)：7通用型集成運(yùn)放741LARGEINPUTVOLTAGERANGE.NOLATCH-UP.HIGHGAIN.SHORT-CIRCUITPROTECTION.NOFREQUENCYCOMPENSATIONREQUIREDTheUA741isahighperformancemonolithicoperationalamplifierconstructedonasinglesiliconchip.Itisintentedforawiderangeofanalogapplications.(.Summingamplifier.Voltagefollower.Integrator.Activefilter.Functiongenerator)Thehighgainandwiderangeofoperatingvoltagesprovidesuperiorperformancesinintegrator,summingamplifierandgeneralfeedbackapplications.Theinternalcompensationnetwork(6dB/octave)insuresstabilityinclosedloopcircuits.8AB電路圖91.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流的大小比例為1:3。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置。電路分析1102.輸入級(jí)：T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號(hào)達(dá)到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。電路分析2113.中間級(jí)：T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，恒壓源電路T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時(shí)不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過大時(shí)不致燒壞。4.輸出級(jí)：電路分析312電路分析4頻響校正電容:唯一，30pF消除自激振蕩輸入失調(diào)調(diào)零電位器：20K微調(diào)T5、T6發(fā)射極電流，使運(yùn)放輸入0，輸出0一般不接（破壞平衡、熱平衡特性差增加溫漂）13

1.輸入失調(diào)電壓UIO

輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。

2.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)114

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：

輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。主要參數(shù)2156.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。主要參數(shù)316主要參數(shù)4

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。17

12.全功率帶寬

FBPW

：

運(yùn)放的閉環(huán)電壓增益為1，輸入正弦大信號(hào)并規(guī)定負(fù)載和指定輸出電壓的失真等條件下，使運(yùn)放輸出電壓的幅度達(dá)到最大值時(shí)的信號(hào)頻率，受SR限制。

11.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：額定負(fù)載，階躍大信號(hào)輸入，輸出電壓的最大變化率。反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。普通為1V/us。主要參數(shù)5

13.建立時(shí)間ts：

閉環(huán)增益1，一定負(fù)載，階躍輸入信號(hào)，運(yùn)放輸出電壓達(dá)到特定值范圍所需時(shí)間。

14.等效輸入噪聲電壓UN：

普通輸入噪聲電壓有效值為10－20uV。

18主要參數(shù)6

15.開環(huán)帶寬

SW

：

開環(huán)增益從直流增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率

16.單位增益帶寬GB

：

閉環(huán)增益為1，正弦小信號(hào)驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率

17.增益帶寬乘積GBW

：

GBP=Afb

通常為定值。(同相741為1MHz)

開環(huán)--閉環(huán)19運(yùn)放分析基礎(chǔ)理想運(yùn)算放大器理想?yún)?shù)（Ao、rid、BW--∞

)(Ib、

rod--0）虛短/虛斷運(yùn)放的基本連接（書p62-p64）同相放大器（跟隨器）反向放大器差動(dòng)放大器?電源？電流？輸出電壓？書，作業(yè)20例題設(shè)，，，μA741為例，V/V，，，則同相放大電路理想輸出電壓？實(shí)際輸出電壓？輸入阻抗輸出阻抗？21輸入串聯(lián)/并聯(lián)反饋會(huì)增加/減小輸入電阻輸出串聯(lián)（電流）/并聯(lián)（電壓）反饋會(huì)增加/減小輸出電阻

跟隨器反向差動(dòng)儀表列表總結(jié)集成運(yùn)算放大器的反向、同相、差動(dòng)輸入（直流和交流）的特性。22集成運(yùn)放使用注意加電源（怎么加？）有電流[正負(fù)電源間（靜態(tài)電源電流），mA；

輸出與負(fù)電源間]功耗，mW靜態(tài)限制：輸入偏置電流/輸入失調(diào)電流；輸入失調(diào)電壓；輸入電壓范圍；輸出飽和（rail-to-rail）動(dòng)態(tài)限制：開環(huán)；閉環(huán)；暫態(tài)響應(yīng)（上升時(shí)間/轉(zhuǎn)換速率）23放大器自激振蕩的解決方法電阻（一般小于兆歐）電源濾波運(yùn)放電源引腳加濾波電容（0.1uF，非卷繞獨(dú)石電容或瓷片電容）電容緊靠電源引腳，接地點(diǎn)接在一起并盡可能靠近本級(jí)運(yùn)放電路的參考接地點(diǎn)特別敏感的電路（如前置放大器），供電電源單獨(dú)從電源引出，并單獨(dú)RC或LC濾波。布線工藝24增益帶寬積例:用741設(shè)計(jì)一個(gè)增益為60dB的音頻放大器.

音頻:20k增益1000GWP=?擴(kuò)頻帶，兩級(jí)同向放大級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)？

25（一）儀表放大器應(yīng)用信號(hào)源內(nèi)阻變化輸入信號(hào)有強(qiáng)共模成分（工頻干擾等）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電橋、熱電偶、生物探針及溫度傳感器的放大電路特性高輸入阻抗1010Ω高共模抑制比增益調(diào)節(jié)方便精度高、穩(wěn)定性好26儀表放大器原理要求A1=A24個(gè)R相等G=1+50Kg/Rg27儀表放大器應(yīng)用注意1輸入偏置（a）高源電阻（石英話筒、水下超聲探測(cè)器等）（b）低源電阻（熱電偶等）（c）對(duì)稱結(jié)構(gòu)28儀表放大器應(yīng)用注意2有源信號(hào)屏蔽（輸入信號(hào)保護(hù)）(雙線，交流傳輸)高輸入阻抗，分布電容提高共模抑制比AD620，IN128，IN11429儀表放大器應(yīng)用注意3輸出偏置30儀表放大器應(yīng)用注意3（續(xù)）31（二）隔離放大器輸入輸出隔離高共模電壓疊加微弱傳感器信號(hào)接地不良耦合（大分布電容、浮地、對(duì)地高阻抗，）長導(dǎo)線耦合工頻地線（參考點(diǎn)）存在電位差，地線環(huán)流！隔離放大器輸入差分源對(duì)地阻抗高傳輸線長或與工頻電源線近距離平行為了安全，兩設(shè)備必須分別接地傳感器與強(qiáng)帶電體直接接觸或絕緣強(qiáng)度不高被測(cè)對(duì)象很弱（病人、活細(xì)胞等）－＋32隔離放大器隔離放大器抵御高共模電壓原理33隔離放大器2隔離放大器抑制地線環(huán)流原理34隔離放大器3磁耦合隔離（最“古老”，帶寬窄，耐壓一般）調(diào)制與解調(diào)技術(shù)將直流或交流信號(hào)通過變壓器耦合到輸出級(jí)輸入級(jí)內(nèi)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放作為信號(hào)預(yù)處理，可進(jìn)行緩沖、濾波等功能輸出級(jí)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，濾波與放大內(nèi)置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側(cè)的運(yùn)放、調(diào)制器或其他電路。光電耦合隔離（應(yīng)用廣泛）光信號(hào)傳送耦合，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系，具有很強(qiáng)的隔離作用（模擬量線性和精度差）線性光耦隔離放大器件(開關(guān)量可靠傳遞)數(shù)字隔離（1）PWM的調(diào)制及解調(diào)方式（2）V/F方式電容耦合隔離（頻率調(diào)制，先進(jìn)）輸入電壓數(shù)字編碼和差動(dòng)電容勢(shì)壘耦合，準(zhǔn)確地隔離和傳輸模擬信號(hào)采用了數(shù)字化調(diào)制手段，隔離柵的性能不會(huì)影響到模擬信號(hào)的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。

35隔離放大器4性能綜合對(duì)比：

耦合方式傳送精度噪聲濾波結(jié)構(gòu)復(fù)雜度傳送距離變壓器耦合中需要高短電容耦合較好需要高短線性光電耦合較好不需要中短36（三）可變?cè)鲆娣糯笃魍嗫勺冊(cè)鲆嬖?電路反相可變?cè)鲆嬖?電路程控可變?cè)鲆婺M開關(guān)（如4051）（精度不高）D/A芯片（如DAC0832)（單路，頻響不高）集成電路（如AD624，單路)

（如PGA100,多路）37DAC控制程控增益放大器38傳感器基本概念組成分類能量控制型：從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.

（電阻、電容、電感，一般接電橋）能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).

（輸出電壓、電流、電荷，一般接放大器）敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路非電量輸出電量電量可轉(zhuǎn)換為電量的非電量39（四）電橋放大器電橋單電橋雙電橋全電橋橋式差分放大器浮地電源（電池）Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相輸入R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相輸入40三運(yùn)放儀用放大器線性電橋放大器

R1=R2,R3=R4,R8=R9=R11=RRx=R(1+x),當(dāng)(1+2R5/R)*(R1/R10)=1時(shí)Vo=(1+2R5/R)*(Vs/2)*x41（五）傳感放大器（一）電壓信號(hào)放大（霍爾器件）例：同相放大，Rs=1MΩ，Rp開路，放大器K=50，Ri=1MΩ，放大器偏置電流1nA，求傳感器輸出電壓1mV時(shí)，放大器輸出電壓？解：1）放大器偏置電流經(jīng)傳感器內(nèi)阻產(chǎn)生1nA*1MΩ=1mV的電壓，加在放大器的輸入端，經(jīng)放大，輸出50mV（零輸入時(shí)輸出電壓）。

2）傳感器的輸出電壓經(jīng)傳感器輸出電阻和放大器輸入電阻分壓，加在放大器的輸入端，經(jīng)放大，輸出25mV。

3）結(jié)論：小于零點(diǎn)電壓！所以當(dāng)傳感器輸出阻抗高時(shí)，一定選用輸入阻抗高，偏置電流小的放大器！42（五）傳感放大器（二）電流信號(hào)放大（光敏二極管）光電流模式光電導(dǎo)模式（無霰彈噪聲，精密）（減小節(jié)電容，高速）43（五）傳感放大器（三）交流電荷放大器（壓電傳感器）靈敏度與電纜長度無關(guān)！44（五）傳感放大器頻率特性下限頻率上限頻率電纜分布電容、雜碎電容（10pF*1000m=0.01uF）運(yùn)放開環(huán)頻率響應(yīng)注意：Cf不能太大，否則增益太小，Rf也不能太大傳感器工作在交變狀態(tài)，f>fL

，交流電荷放大器準(zhǔn)直流電荷放大器——自舉高輸入阻抗放大器45（五）傳感放大器頻率特性例：SYC4000石英壓力傳感器：

Rs>1013Ω,Cs=

2.6-4.5pF,A0=105,Ri=1012Ω,Ci=

4

pF,Cc=

5.5pF,Cf=

10pF,IIB=

10pA

帶入公式，得：fL=

1.13*10-3HZ46（六）低漂移放大器低失調(diào)/偏置電流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)芯片參數(shù)具有超高電流放大系數(shù)晶體管LM308IB≈1nA輸入偏置電流相消OP07IB≈

±1nAIos≈0.4nAJFET輸入級(jí)LF356IB=30pAIos=3pA特殊JFET技術(shù)+隔離技術(shù)AD549，OPA129IB<100fA

MOSFET輸入級(jí)TLC279IB=0.7pAIos=0.1pA47（六）低漂移放大器調(diào)制解調(diào)型斬波穩(wěn)零放大器動(dòng)態(tài)較零（自穩(wěn)零）型斬波穩(wěn)零放大器閉環(huán)開環(huán)集成低漂移放大器(AD8551)溫漂小于10uv/℃，甚至1uv/℃48調(diào)制解調(diào)型斬波穩(wěn)零放大器交流放大，Uos1隔離Uos2縮小K1倍49（七）寬帶高速放大器應(yīng)用于視頻和通信：寬通頻帶、快速建立時(shí)間、高輸出電流、直流特性好、低電源電壓、低