第八章 检测电路第八章 检测电路同相比例放大器同相比例放大器反相比例放大器反相比例放大器电流电压变换放大器电流电压变换放大器差动放大器差动放大器自举型高输入阻抗放大器自举型高输入阻抗放大器 斩波稳零放大器斩波稳零放大器 仪用放大器仪用放大器隔离放大电路隔离放大电路

同相比例放大同相比例放大 Au=1 十 Ri ／ R2

R1

-

+

A

+

-US

RS

R2

UFU0

输入阻抗

增益

ri+= ri (1 十 AF)

ri—— 运放的开环输入阻抗A—— 运放的开环增益F—— 电路的反馈系数

uARR

RF /1

21

2

例：某放大器 ri ＝ 104Ω 开环增益为 104 ， F ＝ 0.1

（闭环增益为 10 ），则放大器的闭环输入阻抗为 107

Ω 。

反相比例放大反相比例放大

AAuu==––RRff/R/R11

USS

+

-

U0

-

+

A

R1

R2

Rf

限制带宽增益

特点：

性能稳定，但输入阻抗较低

注意：

在实际电路中，由于电阻的最大值不能超过 10MΩ ，R 如果要提高反相放大器的输入阻抗，电路的增益要受到限制。

电流电压变换放大电流电压变换放大

UU00=―R=―Rff·i·iss

U0-

+R1

R2

Rfi1

io

A

IS

增益

放大电路的精度放大电路的精度取决于取决于 RRff 的稳定的稳定性性

差动放大差动放大

U0-

+

A

R1

R1

R2

R2UC

US/2

US/2

U －

U+

U1

U2

+

+

++

-

- -

-

SUR

RUU

R

RU

2

112

2

10 ）（

扩大输入共模电压范围

增益

特点：

提高电路共模抑制比，减小温度漂移。

自举型高输入阻抗放大器自举型高输入阻抗放大器

I1

R

2R1

Ui

A1

U0A2

Rp

R1

Rp

R2

R2

I

Ii

U01

1

1

RR

RR

I

UR

i

ii

-

+

+

-

A1

R

UU

R

UI oiii

1

1

oo UR

RU

2

11

2

io UR

RU

1

2

iio UUR

R

R

RU 2))(

2(

1

2

2

11

iiii

i URR

RR

R

UU

R

UI

1

1

1

2

斩波稳零放大器斩波稳零放大器1. 闭环状态斩波稳零放大器

Ф1

Ф2

0

0

T1

T1

T2

T2

A1

OSC

+

－

+

_

A2

+_

Ui

C1

S1 S3

S2

Ф1Ф2

①

②

②

①

A3

_

+Uo

C2

②

①

图中开关 S2 和电容 C1 以及 S3 、 C2 、 A3 分别构成两个采样―保持电路。第一个采样―保持电路用来对放大器 Al 进行动态校零；第二个采样―保持电路用来维持输出电压的连续性。

内部时钟 CP 由振荡器 (OSC) 提供，若在时钟。 0~T1 时间内，开关 S1 、 S2 、 S3 ，停在①端位置，即 S2 接通、 S1 、 S3 断开，相应电路状态如下图。

电路的工作分两个阶段，由时钟控制开关完成。

第一阶段为误差检测与寄存

第二阶段为动态校零和放大

放大器工作状态之一

A2

+_

A1

+

_

UOS1

UC1

UOS2

UO1

C1

+_

UC2

UO

A3

_

+

C2

+_

在此时间内 vcoso AUUU 1111 )(

vosc AUUU 20121 )(

221

21

21

211 11 os

vv

vos

vv

vvc U

AA

AU

AA

AAU

11

211 os

v

ososc U

A

UUU

11

211 os

v

ososc U

A

UUU

电容 Cl 记存了 Al 的失调电压 Uos1 ，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。由于此时 A3 与 A1 之间被切断 (S3 断开 ) ，所以 A3 的输出电压UO 为

U0=Uc

2 C2 上记有的电压 Uc2 ，是前一时刻放大器 A1 的输出电压。 在时钟 T1 ～ T2 时间内，开关 S1 、 S2 、 S3 停留在②端位置上，即S1 、 S3 接通、 S2 断开，相应的电路状态如图

放大器工作状态之二

A1

+

_A3

_

+

Ui

－+

－+

++

_

_Uos1

Uc1 Uc2

Uo1

C1 C2

U0

这时， Al 同相端与输入信号 Ui 接通，由于 A1 的反相端还保存着前一时刻的失调电压 Uc1 ＝ Uos1 ，所以这时 A1 的输出电压 Uol 为

ivososivcosivo UAUUUAUUUAU 11111111 )()(

上式表明， A1 的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“动态校零和放大输入信号”的工作阶段。这时总输出电压 Uo 为

ivcoo UAUUU 121

当时钟控制开关再回到①端位置时， Uc2 保持不变，放大器 A3

( 接成跟随器工作 ) 继续以 A1vUi 的幅值向外输出，保证了输出电压的连续性。开关的反复通断， Al 的漂移不断被校正，这就是动态校零的工作原理。开关 S1 、 S2 、 S3 一般用 MOSFET 完成。

2. 开环状态斩波稳零放大器 ( 失调误差逐级存储放大器 )

开环状态斩波稳零放大器原理图

+

_

A2+

_

A1Ui

Uos Uo1

Uc

U01’

S1

S2

C

U0

当开关 S1 、 S2 都接地，即开关处于图示位置时，放大器输入端对地短路，输出失调电压 Uoff 使电容器 C 两端充电至 Uc=Uoff 。 Uoff

为 Uoff=A1dUos

电容 C 上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器 C又称为记忆电容器。 A1d 为 A1 放大器的开环电压增益。当开关 S2 断开， S1 接通输入信号 Ui 时，放大器输出电压 U0

为 )( 11 osdido UAUAU

输出到下一级的电压

'oU

idoffosdidcoo UAUUAUAUUU 111'

可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达到稳零的目的。

由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于 100倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐级采样存储 MOS集成运放，如图。

Uo

Ui +

_A1

+

_A2

+

_A3

S1

S2 S3 S4

C1 C2 Cn

电路工作的两个阶段由时钟控制 MOSFET 开关完成。 以上分析建立在下一级 Ri无穷大、 Ci 为零的理想条件下。如果不满足条件，则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟控制脉冲经分布电容耦合到 MOS管栅极，也将引入失调电压。 实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小两个数量级，且温度稳定性很好。在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器，可进一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模 MOS 模拟集成电路之中，如用作 A／ D( 模／数 )转换器或比较器。

仪用放大器仪用放大器测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器——减法器

-

+A3

-

+A1

-

+A2

R4

R6R7

R5

R2

R1

RG

V1

V2

V4

V5

V3

V6

V0

IG

GGG R

VV

R

VVI 2154

221

1143 RR

VVVRIVV

GG

221

2256 RR

VVVRIVV

GG

Gf R

RR

VV

VVA 21

21

631 1

4

53

4

5

76

760 1

R

RV

R

R

RR

RVV

)(2

1)( 214

5136

4

50 VV

R

R

R

RVV

R

RV

G

4

5

36

02 R

R

VV

VA f

4

51

21

0 21

R

R

R

R

VV

VA

Gf

Gf R

RA 12

1

失调参数的影响

+

-A3

-

+A2

+-

A1

R1

⊿V2

⊿V1

RG R2=R1

R4

R4 R5

R5

⊿V0⊿V3

假设由三运放失调电压 VOS 及失调电流 IOS 所引起的误差电压折算到各运放输入端的值分别为 ΔV1 、 ΔV2 和 ΔV3,误差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压为：

)1()()2

1(4

5321

4

510 R

RVVV

R

R

R

RV

G

若 R4=R5 3211

0 2))(2

1( VVVR

RV

G

图示极性的 ΔV1 和 ΔV2 所引起的输入误差是相互抵消的。若运放 A1 和 A2 的参数匹配，则失调误差大为减小。 ΔV3折算到放大器输入端的值为 2ΔV3/Af1 ，所以等效失调参数很小，即对运放 A3 的失调参数要求可降低些。

A1

Vo

R11

R1

A3

R8

Vi2

R7

R6

Vi1

R9

R10

A2R2

R3

R4

R5

RW

氖泡NL2

22k

NL1

22k

氖泡 10k10k2k

22k22k

22k 22k 2k

9k10k

图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微型的氖灯 NL1 、 NL1 ，作为电压限幅器。微型的氖灯价廉且具有对称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压 ( 一般为60V) ，则氖灯迅速导通 (击穿后，氖灯本身呈负阻特性 ) ，使其两端的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器 RW

用于调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输入端加载一个 1V左右的信号 ( 一般为 50Hz) ，调整电位器 RW 使电路的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。 如果电路中有需要调整的参数，通常是电阻阻值（有时也需要调整电容值），把要调整的参数分成两部分：固定部分和可调整部分。在一般的要求时，固定部分的取值为该参数总的标称值的 90% ，可变部分为 20% 。在要求比较高时，固定部分的取值为该参数总的标称值的 99% ，可变部分为 2% 。

隔离放大电路隔离放大电路指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号。

iF iO

iF iO( )

iF iO

c

e

iF iO

e

c

( )

硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小电流与大电流增益严重不一致，传输线性较差；达林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，但传输线性最差。一般使用硅光敏三极管或达林顿型光电耦合器作模拟信号传输时，应合理地选择工作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增益低的缺点。

注意：光电隔离放大器的前、注意：光电隔离放大器的前、后级之间不能有任何电的连后级之间不能有任何电的连接。即使是“地线”也不能接。即使是“地线”也不能连接在一起，前、后级也不连接在一起，前、后级也不能共用电源，否则就失去了能共用电源，否则就失去了隔离的意义。一般前级放大隔离的意义。一般前级放大器可以采用电池供电，或采器可以采用电池供电，或采用用 DC/DCDC/DC 变换器供电。变换器供电。

VCC

Vi

A2

R W 1

R1

OE1

VCC

VO

ECC

ECC

R W 2

R W 3R W 4

R2

R3

OE2

A2

VCC

VCC

A1Vi

R2

R1

A2

R3

T

OE VO

E

网上作业提交：不少于 3000字1 、叙述传感器的地位和作用

2 、设计一种传感器应用实例

3 、查找并写出教材以外的一种传感器的工作原理、应用实例

提交至： fwz@njfu.com.cn—— 网络课程——作业提交

任选一题、独立完成

The EndThe End