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模拟信号放大技术

2018-1-4 17:08:12 3923 模拟信号

0 １．集成运算放大器从运算放大器的电路结构来看，它是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。图５．１０是运算放大器的代表符号，有一个输出端ＵＯ，两个输入端，即同相端（ＵＰ）和反相端（ＵＮ），其输出电压为ＵＯ＝－ＡＶ（ＵＮ－ＵＰ）式中ＡＶ ——— 放大器的开环增益。（１）理想运算放大器。在理想情况下，运算放大器应有如下参数：１）开环放大倍数ＡＶ＝ ∞。２）输入阻抗ｒｉ＝ ∞，输出阻抗ｒｏ＝０。３）频带宽度Ｂｗ＝ ∞。４）当ＵＮ＝ＵＰ时，Ｕｏ＝０。５）没有温漂由上述特性可知，对工作于线性区的理想运放，有：１）运放二输入端之间的电压差为０，即Ｕｉ＝ＵＮ－ＵＰ＝０。２）理想运放二个输入端不取电流，即有Ｉｓ＝０。但实际的运算放大器，其性能指标不可能达到理想运放的要求，不同的运放，其程度不一，性能也略有不同，因此许多参数也不一样，判断一个实际运算放大器性能的优劣，主要从其技术指标来判断，下面介绍一下运放的技术指标含义。（２）实际运放技术指标含义。１）开环增益ＡＶ。在标准的电源电压和规定的负载电阻条件下，放大器开环时输出电压增量与输入电压增量之比，定义为开环增益ＡＶ：这是集成运放的一个重要参数，一般希望其值越大越好，目前常用的集成电路开环增益一般在６０～１４０ｄＢ。２）输入失调电压Ｕｏｓ。在室温（２５℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，而施加在输入端的补偿电压叫输入失调电压Ｕｏｓ，这个值是越小越好，一般Ｕｏｓ约为０．５～５ｍＶ。３）输入偏置电流Ｉｂ和输入失调电流Ｉｏｓ。当输出电压为零时，流入放大器两个输入端的电流平均值即为输入偏置电流Ｉｂ，这是一项重要指标，一般希望Ｉｂ越小越好，这样可以减少由于信号源内阻变化而引起输出电压的变化，其值一般为１ｎＡ～１００μＡ。输入失调电流则是指在上述情况下二个输入端电流的差值。由于信号源内阻的存在，Ｉｏｓ会引入一输入电压，破坏放大器平衡，因此希望Ｉｏｓ也是越小越好。４）温度漂移。放大器的温漂主要由输入失调电压和输入失调电流引起，输入失调电压温漂是对集成运放电压漂移特性的度量，一般在１～５０μＶ／℃，高质量低温漂运放可达到小于０．５μＶ／℃。输入失调电流温漂是对放大器电流漂移的度量，高质量的运放每度只有几个皮安（ｐＡ）。５）最大差模输入电压Ｕｉｄｍａｘ。放大器的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压，将可能导致运放内部三极管击穿而使其性能恶化或永久性损坏。６）最大共模输入电压Ｕｉｃｍａｘ。超过Ｕｉｃｍａｘ值，将导致运放共模抑制比显著下降。其值一般是指使运放在作电压跟随器时，使输出电压产生１％跟随误差的共模输入电压值。７）共模抑制比ＣＭＲＲ。在开环状态下，运放的差模电压增益Ａｕｄ与共模电压增益Ａｕｃ之比称共模抑制比：它表示运放对共模信号的抑制能力，其值应越大越好，一般在６０～１３０ｄＢ。８）差模输入电阻Ｒｉｄ。运放开环时，二个输入端差模电压的变化量 ΔＵｉ与由它所引起的电流变化量 ΔＩｉ之比，称为差模输入电阻Ｒｉｄ，其值一般在几十千欧到几十兆欧左右。９）开环输出电阻。运放开环时，其输出级输出电阻，用Ｒｏ表示。Ｒｏ的大小表示运放的负载驱动能力。１０）上升速率ＳＲ。运放在大幅度信号的作用下，输出电压随时间的最大变化率称为上升速率或转换速率。一般常用运放速率在０．１～１００ｍＶ／μｓ，高速运放则可达５００～１０００Ｖ／μｓ。１１）全功率带宽。在正弦电压作用下，如运放接成单位增益，且处于全功率输出状态，这是继续增加正弦电压频率，当输出信号失真到规定值时对应的正弦频率为全功率带度，用ｆｐ表示。２．信号放大电路信号放大电路是测试系统中应用较广泛的调理电路，它不但起放大作用，还可用作阻抗变换。按照信号变换功能常见的有同相放大、反相放大、跟随器及可调差动放大器。（１）反相放大器。由图５．１２可知，这是一个电压并联负反馈电路，根据上面的两条结论可得ＵＮ ≈ＵＰ＝０即同相端与反相端近似短路，但Ｉｉ≈０而不等于０，而ＵＰ接地故称反相输入端为“虚地”，虚地的存在是反相放大器闭环工作的重要特征。由上述分析可得，反相放大器的增益为可见这是一种近似比例运算，同时也可经分析得知，反相放大器的输入电阻和输出电阻均减少，这在具体使用中，尤其在与传感器配合使用时，是个值得注意的问题。（２）同相放大器。图５．１３为同相放大器电路，并由上述分析可知，其同相端和反相端输入电压近似相等，即引入共模电压，这是同相放大器闭环工作的重要特征。实际上真正的输入电压为所加电压与反馈电压之差。由上述分析可知，同相放大器的增益为因此同相放大器的放大倍数大于１，至少等于１。值得注意的是，由于同相放大器引入了共模电压，因此需用高共模抑制比的运放才能保证精度，从减小误差的角度来看，同相放大器的应用不如反相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。作为同相放大器的特例，图５．１４为一电压跟随器，在低频情况下，其放大倍数接近１，故称为电压跟随器，其重要特点是具有高输入阻抗，在使用中需注意输入电压幅度不能超过其共模电压输入范围。利用同相和反相放大器，可实现比例、加减、积分、微分等一系列应用。３．测量放大器在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。图５．１５为单运放组成的测量放大器，从其电路结构可知，这是一种同相并联差动放大器，经分析可得这种电路的特点是性能完善，一般须用二个以上的运放组成，只要运放性能对称（主要指输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减少，具有高输入阻抗和共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于测量远距传输过来的信号，因而十分适宜于与传感器配合使用。它与一般的运放在性能、应用上均有区别。在某些只需简单放大的情况下，采用一般运放组成的测量放大器作为传感器的输出信号放大是可行的，但为了保证精度常需采用精密匹配的外接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益的非线性也比较大；此外还需考虑放大器的输入电路与传感器的输出阻抗的匹配问题。因此，在要求较高的场合，常采用集成测量放大器。集成测量放大器多数采用厚模工艺制成的模块形式，其外接元件少，无需精密匹配电阻，使用灵活，能够处理几微伏到几伏的电压信号，可对差分直流和交流信号进行精密放大，能进行快速采样，抑制由直流到数百兆赫的噪声信号，因此，在测量和控制领域有着极为广泛的应用。测量放大器通常设有Ｒ端和Ｓ端，如图５．１６所示，其中Ｓ端称为敏感端或采样端、检测端，可在输出端接有远距离负载或电流放大器时使用。在接远距离负载时，由于输出端与负载端的连线上会产生明显的压降，负载上的电压已明显不是输出端的电压；如果将Ｓ端与负载端相连，可消除压降的影响，在加接跟随器时也要将Ｓ端与负载相连，以减少跟随器漂移的影响。Ｒ端为参考端，可用于调节输出电平，如果在Ｒ端加一参考电源，相当于在输出级放大器的同相端加上一固定电压，从而改变了输出电平。一般利用参考源经一跟随器以后再接入Ｒ端，以隔离参考源内阻，防止测量放大器共模抑制比减小。４．隔离放大器在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全。此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流和电阻彼此隔离，使之没有直接电连接的测量放大器。它具有以下特点：（１）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。（２）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无需提供偏流返回通路。（３）共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。一类常用的隔离放大器使用变压器，另一类常用的隔离放大器则使用小型高压电容器。前者利用的是磁场，后者利用的是电场。由发光二极管和光电管构成的光电隔离器是利用光（一种光磁辐射形式）提供隔离。不同的隔离器具有各异的性能。利用变压器耦合实现载波调制，可获得数千赫兹的带宽，但它们的最大电压额定值很少超过１０ｋＶ，且常常低得多。电容耦合隔离放大器具有较低的精度、较窄的带宽和较小的电压额定值，但很便宜。光隔离器的工作速度快，也很便宜，且能达到很高的电压额定值（４～７ｋＶ是较常见的额定值），但它们在模拟信号范围线性较差，通常不适于精密模拟信号的直接耦合。在选择隔离系统时，不只是需要考虑线性和隔离电压两个问题，电源也很重要。无论输入电路还是输出电路都必须供电。除非隔离壁垒的隔离一侧使用电池（有这种可能，但很少见），否则必须提供某种形式的隔离电源，以便达到预定的隔离性能。图５．１７为２８４型隔离放大器电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度，减小漂移。其电路采用调制式放大，其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分，并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合，将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器（Ｍｏｄｅｍ）；输出部分包括解调器（Ｄｅｍｏｄｅｍ）和滤波器，一般在滤波器后还有缓冲放大器。版权声明：本资料属于购线网gooxian.com所有，如需转载，请注明出处,更多资料查看，请前往购线网! 1
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