测量放大电路

时间：2022-10-19 百科知识版权反馈

【摘要】：RG称为这种集成仪用放大器的增益调节电阻。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的不同量程范围，反馈电容Cf往往做成可选择方式。其中，由测量电路实现调制过程并作为交流载波信号源向放大电路输出交流载波信号。这种放大电路交流载波信号通过电容与前置级晶体管放大器相连，放大后再经变压器耦合到末级推挽式放大电路。

5．1．2　测量放大电路

1）电压信号源的测量放大电路

对于一般电压输出型信号源，其电压输出信号的放大可采用下述集成仪用放大器与程控放大器。

图5．8　三运放结构仪用电桥放大器电路

（1）集成仪用放大器

①工作原理

该放大器是一种高性能差动放大器，其结构如图5．8所示，为一种三运放式结构。整个电路由两个对称的同相放大器A1、A2构成第一级，差动放大器A3构成第二级。为提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，应使电路上下对称，即取R₁＝R₂，R₄＝R₆，R₅＝R₇。设A1、A2、A3均为理想集成运放（开环放大倍数近于∞），则V_i1＝V₄，V_i2＝V₅，故有：

由联立式（5．16）和式（5．17）可得：

对照式（5．9）与图5．7有：

由式（5．18）和式（5．19）可得整个放大器的闭环放大倍数为：

当R₅＝R₄时有：

可以证明，图5．8所示三运放结构的放大器比图5．3（c）所示差动比例放大器具有更高的共模抑制比高1＋2R₁／R_G（）倍，因而具有更好的抗干扰和低漂移性能。另外，图5．8电路由于运放输入电流接近于0，故差模输入电阻近于∞。

从式（5．20）可知，改变R_G即可改变A_V，故R_G常做成可调。R_G称为这种集成仪用放大器的增益调节电阻。

②典型产品与应用

典型的三运放式单片集成仪用放大器有美国AD公司生产的AD521、AD522、AD612、AD614等，图5．9为AD522电桥放大器的应用电路。

图5．9　AD522电桥放大器的应用电路

AD522具有高线性高共模抑制比。其中，放大倍数在100时，非线性仅为0．005%，共模抑制比大于120dB。其组成电路中的所有电阻均采用激光自动修刻工艺制作的高精度薄膜电阻，由此构成的放大器增益精度极高。其引脚连接如图3．16所示，1脚和3脚为高阻抗输入端＋IN和－IN，2脚和14脚用来外连增益调节电阻RG，调节RG可使放大器闭环增益AV在1Ω至上千欧范围内改变。7脚为输出端，4脚和6脚用来调节放大器零点，12脚为检测传感（sense）端，11脚为参考（reference）端。当12脚和7脚相连，参考端与电源公共端相连时，则在输出端与公共端之间得到输出电压V_o，13脚为屏蔽端，用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。输出电压Vo由下式给出：

在使用这些集成仪用放大器时必须注意给放大器提供偏置电流回路，即输入端（1脚或3脚）必须与电源的地线构成回路。同样，参考端接地使负载电流流回电源地。图5．9中把电源公共端（9脚）、信号地和参考端连成一个地，另外一个为屏蔽地（13脚）。

仪用放大器不仅可用于直流放大，也可用于对交流信号的放大。仪用放大器与不同传感器耦合时的接地方式见图5．10，其中图10（a）和图10（c）用于对交流载波信号的放大。

（2）可编程增益放大器

在模拟系统中，为了放大不同大小的传感器输出信号，往往需要使用不同放大倍数的放大器。在多回路计算机检测系统中，为保证送到计算机的信号基本一致（0～5V），也必须提供各种量程的放大器。在这种场合，为减少硬件设备，采用一种可编程增益放大器（PGA）是最佳的选择。

图5．10　AD522与传感器耦合时的接地方式

图5．11所示是美国AD公司生产的LH0084数字程控增益放大器电路原理图。

由图5．11可见，它由可变增益电压V1跟随输入级（匹配的高速运放A1和A2）及后面的差动输出级（A3）组成。开关网络由译码／驱动器和双四通道模拟开关组成。计算机通过改变控制端D1、D0的输入状态（00、01、10、11四状态），经译码后可得到四组双向开关的状态，分别接通K1-K1′或K2-K2′或K3-K3′或K4-K4′，获得不同的输入级增益。为使电路能对称地工作，必须使图中R₂＝R₃，R₄＝R₅，R₆＝R₇。

此外，图5．11电路还可以通过改变后一级放大器A3输出端的接线方法来改变放大器的增益。当6脚与10脚相接作为信号的输出端且13脚接地时，放大器A3的增益为1；当7脚与10脚相接而12脚接地时，增益为4；当8脚与10脚相接而11脚接地时，增益为10。当然，这部分是非程控的。

图5．11　LH0084数字程控增益放大电路原理

当被测信号变化范围较宽时，用这种形式的放大器会给数据采集带来莫大方便。

2）电荷信号源的测量放大电路

当采用压电式（一种自源型）传感器时，为保证其电荷的充分输出放大，必须采用电荷放大电路与其相配。采用这种测量放大电路能将原本高内阻（达10¹⁰～10¹²Ω）的电荷信号源转换为低内阻（小于数十欧）的电压源，并使电压源的输出电压正比于电荷信号源的电荷。电荷放大器的基本电路如图5．12所示，它是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器。

图5．12　电荷放大器电路

由图5．12（a）可知，当集成运放开环增益A₀→∞，输入阻抗→∞，IN－端为虚地并忽略电缆电容C_c、传感器内电容C_a、运放输入电容时，压电式传感元件产生的电荷q只对反馈电容C_f充电，其充电电压等于放大器输出电压，即

但实际上，A₀并非∞，此时若考虑电缆等电容，可画出其等效电路如图5．12（b）所示。此时，压电传感元件产生的电荷q同时对C_f和C_c，C_a、C_i充电，设C＝C_a＋C_c＋C_i，则有：

式中：V_c为等效电容上电压，其值等于运放输入（IN－）端电压V_i。

根据运放放大原理，V_iA_o＝－V_o，将其代入式（5．23）、式（5．24），得

只有在满足A₀》1、（1＋A₀）C_f》C时，式（5．22）方被认可，而此条件对集成运放来说很容易满足。

式（5．22）表明，电荷放大器的输出电压只与输入电容量和反馈电容值有关，而与集成运放的增益和电缆电容无关；且反馈电容C_f越小，输出电压就越高。

在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的不同量程范围，反馈电容C_f往往做成可选择方式。一般取C_f＝100～10 000pF。

图5．12（a）中的电阻R和开关K起复零功能。为减小零漂，使放大器工作稳定，还可在反馈电容两端并联一高阻值（10²～10⁴MΩ）反馈电阻，以提供直流反馈。

表5．1为几种定型电荷放大器产品的性能指标。

表5．1　电荷放大器性能指标

3）调制解调式测量放大电路

完整的调制解调放大电路包括振荡器（用做交流电源）、放大器、相敏检波器和低通滤波器等部分。其中，由测量电路（电桥式或非电桥式）实现调制过程并作为交流载波信号源向放大电路输出交流载波信号。

交流载波信号的放大调理通常可采用先放大后整流滤波的方式，也可采用先整流滤波后放大的方式。

（1）先放大后整流滤波方式电路

这种放大电路交流载波信号通过电容与前置级晶体管放大器相连，放大后再经变压器耦合到末级推挽式放大电路。然后经整流、滤波，把放大后的交流载波解调为原有的信号波形。其中与直流放大器不同的是采用电容或变压器耦合方式，能有效地抑制多级放大器的零漂。另外，对交流信号进行放大时，放大元件线性工作的频率范围必须与被放大信号的频率相匹配，其截止频率必须大于信号的频率。

（2）先整流滤波后放大式电路

这种放大电路如图5．13所示。差动变压器式测量电路输出的交流载波信号槇e₁和槇e₂经二极管VD1、VD2整流，电容C₁、C₂滤波后变为直流信号e₁和e₂，加到差动比例运放输入端。当R₂＝R₁，R₃＝R_f时，差动比例运放输出电压Vo按式（5．22）推得：

设e₁＝e₀±Δe／2，e₂＝e₀±Δe／2，则

式中：e₀为差动变压器单端零位电压；k为传感器及放大电路位移-电压增益；x为被测位移；Δe／2为差动变压器单端电压增量。

一般说来，为了有效地抑制因多级运放直接耦合的零点漂移，通常采用先交流放大后解调的形式。此类调制型直流放大器又称为斩波放大器。

图5．13　先整流滤波后放大式电路

图5．14　动态较零运算放大器电路

4）动态校零运算放大器

除了采用斩波放大器可以有效抑制零点漂移外，当使用多级直接耦合式直流放大器时，还可采用另一种低漂移直流放大电路——动态校零运算放大器。动态校零运算放大器又称自动稳零运算放大器，其基本设计思想是将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它回送到放大器输入端，以抵消掉放大器本身的失调电压。其工作原理如图5．14所示。图中，K1、K2、K3为模拟开关，C₁、C₂为记忆电容。电路在一定频率的方波信号控制下，实现放大器的误差检测、寄存和校零、放大两个工作阶段。在第一阶段，开关K1接地，K2闭合，K3断开，使A1与A2构成单位增益反馈放大器。考虑到A1和A2的失调电压，其等效电路如图5．15（a）所示。此时，记忆电容C₁的电压V_C1及输出电压V_o1分别为：