延安大学：《模拟电子技术基础》课程教学资源（第三版，实验指导书）设计实验二测量放大器设计.pdf_大学文库

模拟电子技术实验指导书实验二测量放大器设计、设计内容设计并制作一个具有较优良性能的测量放大器设计要求频带宽度:10Hz~100kHz 放大倍数:50~100 输入阻抗:>20MQ 输出阻抗:100dB 三、总体方案设计在测量系统中,通常都用传感器获取信导,即把被测物理量通过传感器转换为电信号,传感器的输出是放大器的信号源。在测量技术中,由传感器采集到的电信号一般都很弱小,往往需要经过一定的放大才能进入后续环节,因此测量放大器就成为测量技术成败的关键环节。被测量信号既可能是直流信号也可能是交流信号,信号的幅度都很小 (毫伏级),且往往混合有一定的噪声,这些都是测量放大器设计中应考虑的问题。然而, 多数传感器的等效电阻均不是常量,它们随所测物理量的变化而变化。这样,对于放大器而言,信号源内阻Rs是变量,根据电压放大倍数的表达式可知,放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数,就必须使得放大器的输入电阻R较大,RI愈大,因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外, 从传感器所获得的信号常为差模小信号,并含有较大共模部分,其数值有时远大于差模信号,故放大器还应有较强的抑制共模信号的能力 1用集成运算放大器完成设计用集成运算放大器放大信号的主要优点 ①电路设计简化,组装调试方便,只需适当选配外接元件,便可实现输入、输出的各种放大关系。 ②由于运放的开环增益都很高,用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态,则性能稳定,非线性失真小 ③运放的输入阻抗高,失调和漂移都很小,故很适合于各种微弱信号的放大。又因其具有很高的共模抑制比,对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有很强的抑制能力。用运算放大器组成的放大电路,按电路形式可分为反相放大器、同相放大器和差动放大器三种。它们组成的放大电路分别如图2-2-1(a)、(b)、(c)所示。在设计反相比例放大电路时,选择运放参数要从多种因素来综合考虑。例如,放大直流信号时,应着重考虑影响运算精度和漂移的因素,为提高运算精庭,运放的开

模拟电子技术实验指导书实验二测量放大器设计一、设计内容设计并制作一个具有较优良性能的测量放大器。二、设计要求频带宽度:10Hz～100kHz 放大倍数:50～100 输入阻抗:>20MΩ 输出阻抗:100dB 三、总体方案设计在测量系统中，通常都用传感器获取信导，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，传感器的输出是放大器的信号源。在测量技术中，由传感器采集到的电信号一般都很弱小，往往需要经过一定的放大才能进入后续环节，因此测量放大器就成为测量技术成败的关键环节。被测量信号既可能是直流信号也可能是交流信号，信号的幅度都很小 (毫伏级)，且往往混合有一定的噪声，这些都是测量放大器设计中应考虑的问题。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变化。这样，对于放大器而言，信号源内阻Rs是变量，根据电压放大倍数的表达式可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻RI较大，RI愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号，故放大器还应有较强的抑制共模信号的能力。 1.用集成运算放大器完成设计用集成运算放大器放大信号的主要优点: ①电路设计简化，组装调试方便，只需适当选配外接元件，便可实现输入、输出的各种放大关系。 ②由于运放的开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作在深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。 ③运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化、电源的波动以及其他外界干扰都有很强的抑制能力。用运算放大器组成的放大电路，按电路形式可分为反相放大器、同相放大器和差动放大器三种。它们组成的放大电路分别如图2-2-1(a)、(b)、(c)所示。在设计反相比例放大电路时，选择运放参数要从多种因素来综合考虑。例如，放大直流信号时，应着重考虑影响运算精度和漂移的因素，为提高运算精庭，运放的开

实验二测量放大器设计厂 (a)反相比例放大电路 (b)同相比例放大电路 (c)差动放大电路图2-2-1运算放大器组成的放大电路环电压增益A和输入差模电阻Rp要大,而输出电阻R要小。为减小漂移,运放的输入失调电压厶、输入失调电流加和基极偏置电流l均要小。这些因素随温度的变化在运放输出端引起的总误差电压最大可为 R,+r dv △ dy△T)+Fdv△T) r d7 p△7)±Rd 如放大直流微弱信号,还要考虑噪声的影响,要求运放的等效输入噪声电压κ和噪声电流人要小。如放大交流信号,则要求运放有足够的带宽,即要求运放的大信号带宽大于信号的频率。若运放手册已给出开环带宽指标B3,则闭环后电路的带宽将被展宽。对单级放可用公式Bm=Bm·AmR1/Rp计算外接电阻阻值的选择对放大电路的性能也有着重要影响。通常有两种计算方法。一种是从减小漂移、噪声,增大带宽考虑,在信号源的负载能力允许条件下,首先尽可能选择较小的R,然后按闭环增益要求计算Rp,而取同相端平衡电阻R2=R1∥RF,以消除基流引起的失调。另一种计算法是从减小增益误差着手,首先算得R-的数值,最佳的R=(BnR )x,式中K=R(R+R2),然后再按闭环增益要求计算R 2K 同相比例放大电路的最大优点是输入电阻高,例如CF741型运放,其实际输入电阻值R约为100MΩ。由于同相比例放大电路的反相输入端不是“虚地”,其电位随同相端的信号电压变化,使运放承受着一个共模输入电压,信号源的幅度受到限制,不可超过共模电压范围,否则将带来很大的误差,甚至不能正常工作, 设计同相比例放大电路时,对运放的选择除反相输入电路中提出的要求外,还特别要求运放的共模抑制比KcMR要高。比例电阻的计算,一般应先计算最佳反馈电阻R, 其值为 RE (4-1)RR 然后按闭环增益的要求确定R的数值在差动放大电路的设计中,电阻匹配的问题十分重要。差动电路的共模抑制比由

实验二测量放大器设计 (a)反相比例放大电路 (b)同相比例放大电路 (c)差动放大电路图2-2-1运算放大器组成的放大电路环电压增益Auo和输入差模电阻RID要大，而输出电阻Ro要小。为减小漂移，运放的输入失调电压VIo、输入失调电流IIo和基极偏置电流IIB均要小。这些因素随温度的变化在运放输出端引起的总误差电压最大可为: 如放大直流微弱信号，还要考虑噪声的影响，要求运放的等效输入噪声电压VN和噪声电流IN要小。如放大交流信号，则要求运放有足够的带宽，即要求运放的大信号带宽大于信号的频率。若运放手册已给出开环带宽指标Bwo，则闭环后电路的带宽将被展宽。对单级运放可用公式 Bwc Bwo Auo R1 RF   计算。外接电阻阻值的选择对放大电路的性能也有着重要影响。通常有两种计算方法。一种是从减小漂移、噪声，增大带宽考虑，在信号源的负载能力允许条件下，首先尽可能选择较小的Rl，然后按闭环增益要求计算 RF ，而取同相端平衡电阻 R R RF // 2  1 ，以消除基流引起的失调。另一种计算法是从减小增益误差着手，首先算得RF的数值，最佳的 2 1 ) 2 ( K R R R ID O F  ，式中 /( ) K  R1 R1  RF ，然后再按闭环增益要求计算Rl。同相比例放大电路的最大优点是输入电阻高，例如CF741型运放，其实际输入电阻值RI约为100MΩ。由于同相比例放大电路的反相输入端不是“虚地”，其电位随同相端的信号电压变化，使运放承受着一个共模输入电压，信号源的幅度受到限制，不可超过共模电压范围，否则将带来很大的误差，甚至不能正常工作。设计同相比例放大电路时，对运放的选择除反相输入电路中提出的要求外，还特别要求运放的共模抑制比KCMR要高。比例电阻的计算，一般应先计算最佳反馈电阻 RF ，其值为: 然后按闭环增益的要求确定R1的数值。在差动放大电路的设计中，电阻匹配的问题十分重要。差动电路的共模抑制比由 ( ) ( ) ( ) 0 0 1 1 0 T dT dV T R dT dV T R dT dV R R R V IB F I F F I          2 ( 1) 0 ( ) AVF R RID RF  最佳＝

模拟电子技术实验指导书 KcMR,由运放本身的共模抑制比KcA和由于外部电阻失配而形成的共模抑制比Kca 两部分组成。设各电阻匹配,公差相同,电阻精度均为δ,则 KC≈(1+R3/R)(46)KcM=(KCc·Kt)(KcoR+KcM) 由上式可知,闭环增益(R3/R)愈小,电阻失配的影响愈大,甚至成为限制电路共模抑制能力的主要因素。差动放大电路的差模输入电阻RD≈R1+R2,共模输入电阻Rc≈(R1+R3)/2。考虑到失调、频带、噪声等因素,反馈电阻R不宜大于IMΩ,如取闭环增益为100,则 R为10KΩ,而差模输入电阻为20ML共模输入电阻小于500KΩ。差动放大电路放大交流信号时,为保证闭环差模增益在所要求的频率和温度范围内稳定不变,运放的开环增益须大于闭环增益100倍以上。单运放差动放大电路常用于运算精度要求不高的场合,为提高性能,常采用双运放或多运放组合成的差动放大电路。此外,当高输入阻抗集成运算放大器安装在印制电路板上时,会因周围的漏电流流入运放形成干扰。通常采用屏蔽方法来抗此干扰,即在运算放大器的高阻抗输入端周围用导体屏蔽层围住,并把屏蔽层接到低阻抗处。这样处理后,屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差,从而防止了漏电流的流入,如图2-2-2所示。另外还应该指出的是,测量放大电路的输入阻抗越高,输入端的噪声也越大。因此,不是所有情况下都要求放大电路具有很高的输入阻抗,而是应该与传感器输岀阻抗相匹配,使测量放大电路的输出信噪比达到一个最佳值采用单运放组成的同向并联差动比例放大线路(也称仪器放大器)见图2-2-3。这种电路是由三个运算放大器组成的,集成电路采用BG305或LM741,由A1和A2构成输入级, 均采用了同相输入方式,使得输入电流极小,因此输入阻抗Rn很高:结构上采用对称结构形式,减小了零点漂移,因此共模抑制比很高:A3构成放大级,采用差动比例放大形式,电路的放大倍数由电阻R4、R5、R6、R7和电位器Rp来进行调节,在图2-2-3中,当 R6 选取R4=R5,R6=R时,电路的放大倍数可由下式进行计算可见,改变R即改变了负反馈的大小,故放大倍数Ar也相应改变。图2-2-4给出了线路的输入、输出波形曲线。在电路设计中,除注意选取运放的参数指标外,还应注意选取精密匹配的外接电阻, 这样才能保证最大的共模抑制比:另外,由于输入阻抗很高,还应采取上述的屏蔽手段来抗除干扰。 2用集成仪器放大器实现在只需简单放大的场合下,采用一般的放大器组成仪器放大器来放大传感器输出的信号是可行的,但为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

模拟电子技术实验指导书 KCMR，由运放本身的共模抑制比 KCMR  和由于外部电阻失配而形成的共模抑制比 KCMR  两部分组成。设各电阻匹配，公差相同，电阻精度均为δ，则 (1 ) (4 ) KCMR    R3 R1  ( )/( ) KCMR KCMR KCMR KCMR KCMR        由上式可知，闭环增益(R3/Rl)愈小，电阻失配的影响愈大，甚至成为限制电路共模抑制能力的主要因素。差动放大电路的差模输入电阻 RID  R1  R2 ，共模输入电阻 ( )/ 2 RIC  R1  R3 。考虑到失调、频带、噪声等因素，反馈电阻RF不宜大于lMΩ，如取闭环增益为100，则 Rl为l0KΩ，而差模输入电阻为20ML共模输入电阻小于500KΩ。差动放大电路放大交流信号时，为保证闭环差模增益在所要求的频率和温度范围内稳定不变，运放的开环增益须大于闭环增益100倍以上。单运放差动放大电路常用于运算精度要求不高的场合，为提高性能，常采用双运放或多运放组合成的差动放大电路。此外，当高输入阻抗集成运算放大器安装在印制电路板上时，会因周围的漏电流流入运放形成干扰。通常采用屏蔽方法来抗此干扰，即在运算放大器的高阻抗输入端周围用导体屏蔽层围住，并把屏蔽层接到低阻抗处。这样处理后，屏蔽层与高阻抗之间几乎无电位差，从而防止了漏电流的流入，如图2-2-2所示。另外还应该指出的是，测量放大电路的输入阻抗越高，输入端的噪声也越大。因此，不是所有情况下都要求放大电路具有很高的输入阻抗，而是应该与传感器输出阻抗相匹配，使测量放大电路的输出信噪比达到一个最佳值。采用单运放组成的同向并联差动比例放大线路(也称仪器放大器)见图2-2-3。这种电路是由三个运算放大器组成的，集成电路采用BG305或LM741，由A1和A2构成输入级，均采用了同相输入方式，使得输入电流极小，因此输入阻抗Rin很高:结构上采用对称结构形式，减小了零点漂移，因此共模抑制比很高:A3构成放大级，采用差动比例放大形式，电路的放大倍数由电阻R4、R5、R6、R7和电位器RP来进行调节，在图2-2-3中，当选取R4= R5，R6=R7时，电路的放大倍数可由下式进行计算: 可见，改变Rp即改变了负反馈的大小，故放大倍数Auf也相应改变。图2-2-4给出了线路的输入、输出波形曲线。在电路设计中，除注意选取运放的参数指标外，还应注意选取精密匹配的外接电阻，这样才能保证最大的共模抑制比:另外，由于输入阻抗很高，还应采取上述的屏蔽手段来抗除干扰。 2.用集成仪器放大器实现在只需简单放大的场合下，采用一般的放大器组成仪器放大器来放大传感器输出的信号是可行的，但为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 ) 2 (1 2 6 4 6 p uF R R R R R A   

延安大学：《模拟电子技术基础》课程教学资源（第三版，实验指导书）设计实验二 测量放大器设计

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