第八章 检测电路

1. 同相比例放大器 • 反相比例放大器 • 电流电压变换放大器 • 差动放大器 • 自举型高输入阻抗放大器 • 斩波稳零放大器 • 仪用放大器 • 隔离放大电路 第八章 检测电路

2. R1 R2 - U0 UF A RS + + US - 同相比例放大 增益 Au=1十Ri／R2 ri+= ri (1十AF) 输入阻抗 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 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107Ω。

3. Rf R1 - U0 A + USS + - R2 反相比例放大 限制带宽 增益 Au=–Rf/R1 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。

4. 电流电压变换放大 增益 U0=―Rf·is 放大电路的精度取决于Rf的稳定性 io Rf i1 - U0 A R1 + IS R2

5. 差动放大 增益 特点： 提高电路共模抑制比，减小温度漂移。 US/2 R1 R2 U1 - + - U0 + U－ A + R2 + - - U+ UC + U2 - US/2 R1 扩大输入共模电压范围

6. 自举型高输入阻抗放大器 2R1 R2 - U01 A1 A1 + I Rp R Ii R1 R2 - I1 Ui A2 U0 + Rp

7. 斩波稳零放大器 1.闭环状态斩波稳零放大器 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。 S1 ② _ + 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 S3 ② Uo A3 A1 + _ + ① Ui － C2 ① ② + A2 _ S2 C1 Ф1 ① T1 T2 Ф2 0 Ф1 Ф2 0 T2 T1 OSC 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。

8. UOS1 + UO1 A1 _ _ UOS2 A3 + + UO A2 _ + UC2 + C2 _ UC1 C1 _ 放大器工作状态之一 Uos1 _ + + + _ Uo1 Ui A1 A3 _ _ + U0 + + Uc1 C1 Uc2 C2 － － 放大器工作状态之二 在此时间内 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=Uc2 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

9. 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 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 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。

10. 2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器)2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器) 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 Uos _ C Uo1 U01’ _ A1 Ui + A2 S1 + Uc U0 S2 Uoff=A1dUos 开环状态斩波稳零放大器原理图 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 输出到下一级的电压 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。

11. 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。 S1 C1 _ C2 _ Cn _ A1 A2 + A3 Ui + + Uo S2 S3 S4 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。

12. V1 R4 R5 + V3 A1 V4 - R1 - A3 IG RG + V0 R2 V5 - V2 A2 V6 R7 + R6 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

13. ⊿V1 + A1 - R4 R5 R1 RG R2=R1 + ⊿V0 A3 ⊿V3 - R4 - A2 + R5 ⊿V2 失调参数的影响 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： 若R4=R5 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。

14. 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%。 R1 R3 Vi1 A1 R10 22k 22k R8 R5 NL1 氖泡 10k 10k Vo 22k 2k A3 R7 22k R9 氖泡 NL2 R11 R6 10k 9k R2 R4 A2 Vi2 RW 2k 22k 22k

15. 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。 ( ) c c iF iO iF iO iF iO iO iF e e ( ) 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。

16. ECC R W 1 VCC Vi R W 4 R1 R W 3 A2 R2 A2 VO OE1 OE2 R3 VCC R W 2 ECC VCC 注意：光电隔离放大器的前、后级之间不能有任何电的连接。即使是“地线”也不能连接在一起，前、后级也不能共用电源，否则就失去了隔离的意义。一般前级放大器可以采用电池供电，或采用DC/DC变换器供电。 R2 R3 T Vi A1 OE VO A2 R1 E VCC

17. 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

18. The End