【测控电路】信号放大电路 误差, 噪声, 差动放大, 高共模抑制比, 低漂移, 高输入阻抗, 电桥放大
2024-05-30 21:01:17
ref 测控电路第五版
文章目录
- 信号误差
- 实际运放&特性
- 失调&补偿
- 转换速率&最大不是真频率
- 震荡&相位补偿
- 噪声
- 噪声种类&性质
- 噪声处理方法
- 差动放大电路
- 放大电路基本要求
- 反相放大电路
- 同相放大电路
- 跟随放大电路
- 差动放大电路
- 高共模抑制比放大电路
- 反向串联结构型
- 同相串联结构型
- 三运放高共模抑制比放大电路
- 低漂移放大电路
- 自动调零放大电路
- 低漂移集成运放
- 斩波稳零集成运放
- 高输入阻抗放大电路
- 高输入阻抗集成运放
- 自举式高输入阻抗放大电路
- 电桥放大电路
- 单端输入电桥放大电路
- 差动输入电桥放大电路
- 线性电桥
信号误差
实际运放&特性
失调&补偿
- 输入失调电压uosu_{os}uos: 加于输入端的直流电压, 使输出=0
- 增益1+R2/R11+R_2/R_11+R2/R1越大, 输出失调电压越大
- 输出失调误差: uo=(1+R2/R1)uosu_o=(1+R_2/R_1)u_{os}uo=(1+R2/R1)uos, 等效为同向端信号源
- 零点漂移: 输入失调电压随时间&温度变化
- 失调&偏置电流: 无外接信号时, 输入端存在直流偏置电流IN,IPI_N, I_PIN,IP
- 输出端误差 u0=−(1+R2/R1)IPR3+INR2u_0=-(1+R_2/R_1)I_PR_3+I_NR_2u0=−(1+R2/R1)IPR3+INR2
- 输入偏置电流: IB=IP+IN2I_B=\frac{I_P+I_N}{2}IB=2IP+IN
- 输入失调电流: IOS=IP−INI_{OS}=I_P-I_NIOS=IP−IN
- IP=IB+IOS2,IN=IB−IOS2I_P=I_B+\frac{I_{OS}}{2} , I_N=I_B-\frac{I_{OS}}{2}IP=IB+2IOS,IN=IB−2IOS
- R3=R1//R2R_3=R_1//R_2R3=R1//R2 输入偏置电流完全补偿
- 外部调整法, 内部调整法
转换速率&最大不是真频率
- 转换速率SR: 表示电压跟踪输入电压的能力: SR=ΔuΔtSR=\frac{\Delta u}{\Delta t}SR=ΔtΔu
- 输入高频正弦波, 输出三角波的斜率 V/μsV/\mu sV/μs
- 最大不失真频率fmax=SR2πUmf_{\max}=\frac{SR}{2\pi U_m}fmax=2πUmSR
震荡&相位补偿
- 自激振荡: 输出&输入的相移到180∘180^\circ180∘
- 开环KKK, 反馈β\betaβ, 闭环Kf=K1−KβK_f=\frac{K}{1-K\beta}Kf=1−KβK
- RC补偿网络
噪声
噪声种类&性质
- 热噪声: 导体的电荷载流子的热激振动引起噪声
- 白噪声均值=0
- 方均值电压不为0, 噪声随t变化 Ut2(t)=4kTRBU_t^2(t)=4kTRBUt2(t)=4kTRB
- 方均根电压: Ut(t)=4kTRBU_t(t)=\sqrt{4kTRB}Ut(t)=4kTRB
- k: 玻尔兹曼常数, k=1.38x10−23J/kk=1.38x10^{-23}J/kk=1.38x10−23J/k
- T: 导体热力学温度(K)
- B: 测量系统噪声带宽(Hz)
- R: 导体电阻/阻抗实部(Ω\OmegaΩ)
- 低频噪声: 晶体管表面状态&PN结漏电流有关噪声
- 1/f噪声, 电压方均值反比于频率
- Uf2(t)=k1Iaf−bU_f^2(t)=k_1I^af^{-b}Uf2(t)=k1Iaf−b
- k1k_1k1: 材料常量, ab相关
- III: 工作电流(A)
- a,ba,ba,b: 试验确定的常数
- fff: 工作频率(Hz)
- f<1kHz, 低频噪声作用很大
- 散弹噪声: 流过二极管,晶体管位垒层的载流子为脉冲性质
- Ish=2qIDCBI_{sh}=\sqrt{2qI_{DC}B}Ish=2qIDCB
- q: 电子电荷 q=1.59×10−19Cq=1.59\times 10^{-19}Cq=1.59×10−19C
- IDCI_{DC}IDC: 直流电流(A)
- BBB: 测量系统的噪声带宽(Hz)
- 正比于带宽开方, 无关频率(白噪声)
- Ish=2qIDCBI_{sh}=\sqrt{2qI_{DC}B}Ish=2qIDCB
噪声处理方法
- 等效输入噪声
- 噪声系数
- 信噪比 S/NS/NS/N
- S: 信号有效功率
- N: 噪声有效功率
- 噪声系数 F=(S/N)i(S/N)oF=\frac{(S/N)_i}{(S/N)_o}F=(S/N)o(S/N)i 输入信噪比/输出信噪比
- 放大过程中信噪比恶化程度, 理想放大器 F=1F=1F=1
- 信噪比 S/NS/NS/N
差动放大电路
放大电路基本要求
- 输入阻抗与输出阻抗匹配, 稳定的放大倍数, 低噪声
- 低输入失调电压, 输入失调电流, 低漂移
- 足够带宽, 转换速率, 线性好, 精度高, 成本低
- 高共模输入范围, 高共模抑制比, 可调闭环增益
反相放大电路
-
- Kf=−R2R1K_f=-\frac{R_2}{R_1}Kf=−R1R2
- 优点: 性能稳定
- 缺点: 输入阻抗低
-
- Kf=−R2R1(1+R4R5)K_f=-\frac{R_2}{R_1}(1+\frac{R_4}{R_5})Kf=−R1R2(1+R5R4)
- 有较高输入阻抗, 足够增益
-
- C1R1C_1 R_1C1R1决定低端截止频率
- R1R2C1R_1 R_2 C_1R1R2C1决定高端截止频率
同相放大电路
-
- Kf=1+R2R1K_f=1+\frac{R_2}{R_1}Kf=1+R1R2
跟随放大电路
差动放大电路
-
- uo=R2R1(ui2−ui1)=Kduidu_o=\frac{R_2}{R_1}(u_{i2}-u_{i1}) = K_d u_{id}uo=R1R2(ui2−ui1)=Kduid
- R2/R1=R4/R3R_2/R_1=R_4/R_3R2/R1=R4/R3 共模抑制比最大
- 共模电压 uic=12(ui1+ui2)u_{ic}=\frac{1}{2}(u_{i1}+u_{i2})uic=21(ui1+ui2)
- 差模电压 uid=(ui2−ui1)u_{id}=(u_{i2}-u_{i1})uid=(ui2−ui1)
- 共模抑制比 CMRR=KdKcCMRR=\frac{K_d}{K_c}CMRR=KcKd
- 结构简单, 输入阻抗低, 增益调节困难
- uo=R2R1(ui2−ui1)=Kduidu_o=\frac{R_2}{R_1}(u_{i2}-u_{i1}) = K_d u_{id}uo=R1R2(ui2−ui1)=Kduid
高共模抑制比放大电路
反向串联结构型
-
- uo=R2R6R1R4ui1−R6R5ui2u_o=\frac{R_2R_6}{R_1R_4}u_{i1}-\frac{R_6}{R_5}u_{i2}uo=R1R4R2R6ui1−R5R6ui2
- R2/R1=R4/R5,ui1=ui2R_2/R_1=R_4/R_5, u_{i1}=u_{i2}R2/R1=R4/R5,ui1=ui2 输出电压=0, 共模被抑制
- uo=R2R6R1R4ui1−R6R5ui2u_o=\frac{R_2R_6}{R_1R_4}u_{i1}-\frac{R_6}{R_5}u_{i2}uo=R1R4R2R6ui1−R5R6ui2
同相串联结构型
-
- Kd=1+R4R3K_d=1+\frac{R_4}{R_3}Kd=1+R3R4
- uo=(1+R4R3)ui2−(1+R2R1)R4R3ui1u_o=(1+\frac{R_4}{R_3})u_{i2}-(1+\frac{R_2}{R_1})\frac{R_4}{R_3}u_{i1}uo=(1+R3R4)ui2−(1+R1R2)R3R4ui1
- 零共模增益 R1R2=R4R3\frac{R_1}{R_2}=\frac{R_4}{R_3}R2R1=R3R4
- 极高的输入阻抗
- Kd=1+R4R3K_d=1+\frac{R_4}{R_3}Kd=1+R3R4
三运放高共模抑制比放大电路
- 输入级
- Kd=1+R1+R2R0K_d=1+\frac{R_1+R_2}{R_0}Kd=1+R0R1+R2
- CMRR12=CMRR1CMRR2∣CMRR1−CMRR2∣CMRR_{12}=\frac{CMRR_1 CMRR_2}{|CMRR_1-CMRR_2|}CMRR12=∣CMRR1−CMRR2∣CMRR1CMRR2
- 若N1N_1N1 N2N_2N2的共模抑制比不等, 引入附加共模误差, 降低电路共模抑制能力
- 输出级
- Kc3≈4δ1+(1/Kd3)K_{c3}\approx \frac{4\delta}{1+(1/K_{d3})}Kc3≈1+(1/Kd3)4δ
- δ\deltaδ: 电阻偏差值±δ\pm \delta±δ
- Kd3K_{d3}Kd3: 运放N3N_3N3的差模增益, Kd3=R50/R30K_{d3}=R_{50}/R_{30}Kd3=R50/R30
- CMRR3′=CMRR3CMRRRCMRR3+CMRRRCMRR_3'=\frac{CMRR_3~CMRR_R}{CMRR_3+CMRR_R}CMRR3′=CMRR3+CMRRRCMRR3 CMRRR
- CMRR3CMRR_3CMRR3 运放N3N_3N3的共模抑制比
- CMRRRCMRR_RCMRRR 外接不对称电阻限制的共模抑制比 CMRR3=(1+Kd3)/(4δ)CMRR_3=(1+K_{d3})/(4\delta)CMRR3=(1+Kd3)/(4δ)
- Kc3≈4δ1+(1/Kd3)K_{c3}\approx \frac{4\delta}{1+(1/K_{d3})}Kc3≈1+(1/Kd3)4δ
低漂移放大电路
自动调零放大电路
-
- N3N_3N3高, N4N_4N4低: Sa1Sa2S_{a1} S_{a2}Sa1Sa2接通, Sb1Sb2S_{b1} S_{b2}Sb1Sb2断开, 电路失调调零, N1N_1N1输入端仅有失调电压Uos1U_{os1}Uos1
- UC1=−(Uo1+Uos2)K2U_{C1}=-(U_{o1}+U_{os2})K_2UC1=−(Uo1+Uos2)K2
- Uo1=−(−Uos1+UC1)K1U_{o1}=-(-U_{os1}+U_{C1})K_1Uo1=−(−Uos1+UC1)K1
- K1K_1K1: N1N_1N1闭环放大倍数 K2K_2K2: N2N_2N2开环放大倍数 >>1
- UC1≈Uos1−Uos2K1≈Uos1U_{C1}\approx U_{os1}-\frac{U_{os2}}{K_1}\approx U_{os1}UC1≈Uos1−K1Uos2≈Uos1
- N3N_3N3低, N4N_4N4高: Sa1Sa2S_{a1} S_{a2}Sa1Sa2断开, Sb1Sb2S_{b1} S_{b2}Sb1Sb2接通, 信号放大状态
- Uo=−UiR2R1−Uos1K1+UC1K1≈−R2R1UiU_o=-U_i\frac{R_2}{R_1}-U_{os1}K_1+U_{C1}K_1\approx -\frac{R_2}{R_1}U_iUo=−UiR1R2−Uos1K1+UC1K1≈−R1R2Ui
- N3N_3N3高, N4N_4N4低: Sa1Sa2S_{a1} S_{a2}Sa1Sa2接通, Sb1Sb2S_{b1} S_{b2}Sb1Sb2断开, 电路失调调零, N1N_1N1输入端仅有失调电压Uos1U_{os1}Uos1
低漂移集成运放
- 轮换自动校零集成运放
- 模拟开关切换, 使内部两个性能一致的运放N1N2N_1 N_2N1N2交替工作在信号放大与自动校零两种状态
- N1N_1N1信号放大, 则N2N_2N2自动校零, 如左图N2N_2N2无信号输入, C2C_2C2寄存了N2N_2N2的输入失调和低频瞬时干扰电压(矫正电压); 当1转换为信号放大状态, N1N_1N1为自动校零状态, C2C_2C2的矫正电压抵消了N2N_2N2的输入失调和低频瞬时干扰电压, 自动校零, N2N_2N2输出放大了的输入信号. N1同理
- G: 自动校零输入端, 须接零线, 使放大器在自动校零无信号输入
- 始终有一个运放对输入放大和输出, 输出稳定, 性能优于通用集成运放组成的低漂移放大电路, 对共模电压无抑制作用
斩波稳零集成运放
-
- 可放大微弱电压信号, 使失调电压,温度漂移-1~3个数量级
- 失调电压UosU_{os}Uos影响减小到1/K1/K1/K
- U−=Uos,U+=−KUaU_-=U_{os}, U_+=-KU_aU−=Uos,U+=−KUa
- Ua=ΔUoR1/(R1+R5)U_a=\Delta U_o R_1/(R_1+R_5)Ua=ΔUoR1/(R1+R5)
- ΔUo=−K1(U−−U+)≈−(Uos/K)(1+R5/R1)\Delta U_o=-K_1(U_--U_+)\approx -(U_{os}/K)(1+R_5/R_1)ΔUo=−K1(U−−U+)≈−(Uos/K)(1+R5/R1)
-
- 时钟高: 误差检测&寄存
- 时钟低: 校零&放大, 消除了失调电压与共模电压
- CMRR=K2CMRRCMRR=K_2 CMRRCMRR=K2CMRR 共模抑制比提高K2K_2K2倍
- 钳位电路: 防止强干扰使输入阻塞
- 内部调制补偿电路: 使放大电路有宽频响特性
- 优: 高增益, 失调电压肖, 高共模抑制比, 高输入电阻
- 缺: 低压CMOS器件, 电源电压典型值±6V\pm 6V±6V, 注意避免击穿损坏
高输入阻抗放大电路
高输入阻抗集成运放
- 周围漏电流流入高输入阻抗形成干扰
- 高输入阻抗端周围用导体围住, 形成屏蔽层, 接到低阻抗处
- 屏蔽层与高阻抗间无电位差, 防止漏电流流入
自举式高输入阻抗放大电路
- ab: 虚短: 对交流R1R_1R1无穷大
- 减小失调电压: R3=R1+R2R_3=R_1+R_2R3=R1+R2
- 自举电路: 利用反馈使R1R_1R1的下端电位提到与输入端等电位, 减小向输入回路索取电流, 提高输入阻抗
- uo1=−R3R1ui,uo2=−2R1R3uo1=2ui,i=uiR1−uo2−uiR2u_{o1}=-\frac{R_3}{R_1}u_i, u_{o2}=-\frac{2R_1}{R_3}u_{o1}=2u_i, i=\frac{u_i}{R_1}-\frac{u_{o2}-u_i}{R_2}uo1=−R1R3ui,uo2=−R32R1uo1=2ui,i=R1ui−R2uo2−ui
- 输入电阻 Ri=ui/iR_i=u_i/iRi=ui/i
- 当 R2=R1R_2=R_1R2=R1时, i2=i1i_2=i_1i2=i1, 运放N1N_1N1输入电流i1i_1i1完全由N2N_2N2的电流i2i_2i2提供, 输入阻抗无穷大
- 输入阻抗越高, 输入噪声越大
电桥放大电路: 传感器电桥和运放组成的放大电路 / 传感器和运放构成的电桥
电桥放大电路
单端输入电桥放大电路
- 反相输入电桥放大电路
- uab=(Z4Z2+Z4−Z3Z1+Z3)uu_{ab}=(\frac{Z_4}{Z_2+Z_4}-\frac{Z_3}{Z_1+Z_3})uuab=(Z2+Z4Z4−Z1+Z3Z3)u
- 电桥电源uuu浮置, 在R1R2R_1 R_2R1R2无电流通过, a虚地, uou_ouo反馈到R1R_1R1两端电压为−uab-u_{ab}−uab uoR1R1+R2=−uabu_o\frac{R_1}{R_1+R_2}=-u_{ab}uoR1+R2R1=−uab
- 若Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ)Z_1=Z_2=Z_4=R, Z_3=R(1+\delta)Z1=Z2=Z4=R,Z3=R(1+δ) 相对变化率δ\deltaδ
- uo=(1+R2R1)u4δ1+δ/2u_o=(1+\frac{R_2}{R_1})\frac{u}{4}\frac{\delta}{1+\delta/2}uo=(1+R1R2)4u1+δ/2δ
- 同相输入电桥放大电路, 输出反向
- 增益与桥臂电阻无关, 增益稳定
- 电源电桥必须浮置, 输出uou_ouo与δ\deltaδ非线性, δ<<1\delta<<1δ<<1时近似线性
差动输入电桥放大电路
- R1=R2,R2>>RR_1=R_2, R_2>>RR1=R2,R2>>R
- ua=uoRR+2R1+u2u_a=u_o\frac{R}{R+2R_1}+\frac{u}{2}ua=uoR+2R1R+2u
- ub=u1+δ2+δu_b=u\frac{1+\delta}{2+\delta}ub=u2+δ1+δ
- 运放理想工作状态, ua=ubu_a=u_bua=ub
- uo=(1+2R1R)δ1+δ/2u4u_o=(1+\frac{2R_1}{R})\frac{\delta}{1+\delta/2}\frac{u}{4}uo=(1+R2R1)1+δ/2δ4u
- 四桥臂同时变化, 电压放大倍数非常量, 桥臂电阻RRR温度系数不同于R1R_1R1, 增益不稳定
- 只适用于低阻值传感器, 测量精度要求不高场合
线性电桥
- uuu相当于差动放大器的共模电压
- ua=[(uo−u)R1/(R2+R1)]+uu_a=[(u_o-u)R_1/(R_2+R_1)]+uua=[(uo−u)R1/(R2+R1)]+u
- ub=uR3R1+R3u_b=u\frac{R_3}{R_1+R_3}ub=uR1+R3R3
- uo=R3−R2R1+R3uu_o=\frac{R_3-R_2}{R_1+R_3}uuo=R1+R3R3−R2u
- R3=RR_3=RR3=R
- uo=−RuR1+Rδu_o=-\frac{Ru}{R_1+R}\deltauo=−R1+RRuδ
- R3=RR_3=RR3=R
- 量程大, 灵敏度低
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