测控电路--信号放大电路
测控电路-2第二章2解读
RS1
ui1 C1
a 差动
ui2 C2
放大器 b
uo
RS2
其共模抑制比的幅值为： CMRR
1
| RS 2C1 RS 2C1 |
高共模抑制比放大电路
共模电压自举（输入保护技术）
∞
ui1 ui2
+ -
+ N1
R1
RP
∞
+
N2+
R2
R4
R0 uc R0
R3 R3
+
∞ N3+
R4
uo
高共模抑制比放大电路
反相放大器
同相放大器
差动放大器
第二章 信号放大电路
（五）高共模抑制比放大电路
什么是高共模抑制比放大电路？ 用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压） 的放大电路称为高共模抑制比放大电路。
应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如 人体心电测量。
高共模抑制比放大电路
1）双运放高共模抑制比放大电路
号与输入信号的比值 。 共模增益Kc :共模增益指共模信号输入时,其输出信
号与输入信号的比值 。
第二章 信号放大电路
序号 参数名称
1 差模增益
2 共模增益
3 输入阻抗
4 输出阻抗
5
带宽
理想
实际
∞
90~100dB以上
0
0dB以上
∞
100k欧~数兆欧
0
10欧~数百欧
0~∞ 0~10Hz（或0~10kHz）
高输入阻抗,易受干扰 共模误差大
R1
i- - ∞
+
uo
i1
+ N1
测控电路第02章信号放大电路
∞
ui1
+ +
- N1
uo R3 1 R1
R7
IR
RP
RP
1
R5 ∞
+
+ N3
uo
-∞
R2
+
R8 R6
ui2
+ N2 uo2 R4
IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1=(ui2–ui1)/Rp
uo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp ，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rp
第二章 信号放大电路
四、高共模抑制比放大电路
什么是高共模抑制比放大电路？ 用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的
放大电路称为高共模抑制比放大电路。
应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人
体心电测量。
高共模抑制比放大电路
（一）双运放高共模抑制比放大电路
1、反相串联结构型
校零和放大阶段：时钟为低电平，Sb1、Sb2闭合，输入 信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、 U0s2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，此时N2的输 出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全 部被消除，达到稳零目的。
斩波稳零集成运算放大器
此时， Uo=(K1+ K1’K2) Ui +K1U0s1+Kc1Uc 。 问题： ﹡该电路的增益是如何提高的？ ﹡该电路的输入失调电压是如何减小的？ ﹡该电路的共模抑制比是如何提高的？ ﹡该电路有哪些优点？
应用于何种场合?
经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电 感传感器等组成的高精度测控系统中。
信号放大电路测试电路.
测控电路
7
输入失调电压U0S
概念
集成运算放大器输出直流电压为零时，所加 的补偿电压，mV级参数（双极型：1－ 10mv；场效应管型：大一些）
多在前置放大器中产生误差，可消除。 设计时注意选用低U0S的运放和设计相应 调零电路。
测控电路
8
输入失调电流I0S
概念
当运算放大器输出直流电压为零时，两输入 端偏置电流的差值，即I0S＝IIB1－IIB2
5
测控电路
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
采用负反馈构成闭环放大器可以扩大带宽和 线性范围。 最主要的误差因素是噪声与失调漂移。 固定的失调可以通过调整来解决。
§2.1.2 集成运放的主要直流参数
1、输入失调电压Uos 2、输入失调电流I0S 3、转换速率SR,最大不失真频率fmax 4、闭环放大倍数Kf 5、共模抑制比KCMR
运放的闭环放大倍数
K Kf 1 K
运放振荡产生的原因及消除方法
增加RC补偿网络
测控电路
11
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
噪声 噪声就是干扰有用信号的某种不希望的扰动。通常， 把外部来的称为干扰，把内部产生的称为噪声。 热噪声 由导体中的电荷载流子的热激振动引起的噪声
a U2 ( t ) k I f f 1 b
式中 k1 —— 与材料有关的常量，其量纲与a、b有关；
I —— 工作电流(A)；
a、b —— 由实验确定的常数，对各种半导体，b=0.8~1.5，a通常为1； f —— 工作频率(Hz)。
2. 信号放大电路
测控电路第二章信号放大电路
例如：电阻应变式传感器——电压放大器
光电池、光敏电阻——电流放大器
一、测量放大电路的基本要求和类型
①阻抗匹配
②增益稳定
③低噪声
④低的输入失调电压和输入失调电流、低温漂
⑤足够的带宽和转换速率（放大瞬态信号、输出电压跟踪输入电压的能力）
⑥高共模输入范围（几百伏）和高共模抑制比
⑦可调的闭环增益
⑧线性好、精度高
抑制能力的大小，常用共模抑制比CMRR来表示
CMRR共 差模 模增 增益 益 K Kdc
如何求差动放大电2 R4 R1 R3
工程上为了减少器件品 种和提高工艺性
R1=R3 R2=R4
五、高共模抑制比放大电路
测控电路第二章信号放大电 路
什么是高共模抑制比放大电路？ 用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路 称为高共模抑制比放大电路。 应用于何种场合？ 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测 量。一般的运放共模抑制比80db左右
最基本的方法就是把fo1移到更低的频率处来工作。
相位补偿：在反馈放大电路的适当部分加入RC网络，以改
变AF的频率响应。
很多集成运 放都有外接 ui 相位补偿网 络端
R1
C1
R3
C2
R2
+
∞ +
N1
防止自激振 荡的
uo
2.2 典型测量放大电路
测控电路第二章信号放大电 路
❖ 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的。
R2
成分。
R2
ui1 R1
R3 ui2
-∞ +
+ N1
ud/2 R1
-∞
uo
R3
测控电路(第5版)第二章习题及答案
第二章 信号放大电路2-1 何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？2-2 (1)利用一个741μA 和一只100k Ω的电位器设计可变电源，输出电压范围为1010S V u V -≤≤； (2)如果10S u V =时，在空载状态下将一个1k Ω的负载接到电压源上时，请问电源电压的变化量是多少？（741μA 参数：输入阻抗2d r =MΩ，差模增益200a V mV =，输出阻抗75o r =Ω）2-3 在图2-2所示的电路中，已知110R k =Ω，21R =MΩ，并令运算放大器的100B I n =A 和30OS I n =A ，在以下不同情况下，计算输出失调误差o u 。
(1)0P R =；(2)12P R R R =P ；(3)12P R R R =P ，并且把所有电阻阻值缩小为原来的10分之一；(4)在(3)条件的基础上，使用3OS I n =A 的运算放大器。
R R ou图2-2 题2-3图2-4 在图2-47所示的电路中，已知10R k =Ω,1C nF =和()00o u V =。
假设运算放大器有100B I n =A ，30OS I n =A 和输出饱和电压13sat V V ±=±，在不同情况下，计算运算放大器经过多长时间进入饱和。
(1)0P R =；(2)P R R =。
ou图2-47 题2-4图2-5 (1)在图2-48所示的电路中，运算放大器的10B I n =A ，所有电阻都为100R k =Ω，分析B I 对反相放大器性能的影响；(2)为了使o u 最小，在同相端上应该串联多大的电阻P R ？ou i图2-48 题2-5图2-6 图2-4b 所示中的运算放大器使用741μA ，电路增益为20V V A =-，为使电路输入电阻最大，求满足条件的电阻值（令输入失调可调范围为20mV ±，最大失调电流200OS I n =A ，最大失调电压6OS V mV =）。
《测控电路》混合式教学设计案例
“信号放大电路”混合式教学设计一、课程教学整体思路1.课程的建设发展历程“测控电路”课程已经经历了十多年的教学建设和改革，从最早的精品课程群建设，到工程项目驱动式教学改革，到面向工程教育理念的教学创新实践，再到精品线下课程建设改革，到课程思政教学改革，到近期的混合式教学翻转课堂的改革与建设，一路走来，积累了很多的宝贵经验和成果，逐步形成了基于OBE教育理念的工程项目导向的异步SPOC线上、线下混合式教学模式和课程特点。
2.课程的基本信息：课程性质、课时安排、课程特色等“测控电路”是合肥工业大学测控技术与仪器专业的专业基础课程，是测控技术与仪器教育专业认证的重要支撑课程。
课程立足国家战略，开展特色化制造业测试领域人才培养，契合国家集成电路产业需求，解决智能感知和集成电路测试行业困境，并引导学生树立“精益求精”的专业精神和“工业报国”的远大抱负，是该课程的专业定位和人才培养目标。
课程的线上课时为16学时，线下课时为32学时。
总结本课程设计的特色和亮点主要表现在以下四个方面：①以CDIO工程教育理念为基础，在新工科建设背景下，以复杂工程项目驱动为主线打造的教学实践新模式；②探索了多学科和多课程融合的交叉综合实践模式和教学系统；③基于OBE教育理念，以学为中心、以学习效果最大化为目标的翻转混合式课堂教学模式，多元化教学活动和方法，促进学生主动学习、培养学生高阶能力；④将优势双创教育、实际科研、课程思政融入课程教学，培养学生的专业精神、科学精神和爱国情怀。
3.混合式教学改革要解决的重点问题“测控电路”课程改革要解决的问题包括：①课程学科间具有关联性、交叉性、综合性，而学生综合性、交叉性思维锻炼不足；②课程与实际联系紧密、实践性极强，而学生没有充分的实践内容锻炼、纸上谈兵；③模电、数电、测控电路等电路课程学了很多，而学生还是不会实际电路的设计，尤其是解决复杂工程问题的系统整合能力培养和高阶思维锻炼不足；④学生的基础、学习能力、接受快慢存在差异，而相同的课程内容和上课速度导致课堂教学不能满足所有学生需求、无法保证教学效果；⑤课程内容丰富、涉及知识面广，而课堂授课时间不足。
测控电路实验报告
华北水利水电学院机械学院测控电路实验报告实验（一）：信号放大电路实验专业：测控技术与仪器学号：200907030姓名：郭丙康指导教师：宋小娜实验一 信号放大电路实验一、实验目的1．研究由集成运算放大器组成的基本放大电路的功能。
2．了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。
二、实验原理集成运算放大器是一种具有电压放大倍数高的直接耦合多级放大电路。
当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。
在线性应用方面，可以组成反相比例放大器，同相比例放大器，电压跟随器，同相交流放大器，自举组合电路，双运放高共模抑制比放大电路，三运放高共模抑制比放大电路等。
理想运算放大器的特性： 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件（如表1-1所示）的运算放大器称为理想运放。
表1-1开环电压增益 输入阻抗 输出阻抗 带宽A ud =∞ r i =∞ r o =0 f BW =∞失调与漂移均为零等。
理想运放在线性应用时的两个重要特性：（1）输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U 0=A ud (U +-U -)，而U 0为有限值，因此，(U +-U -)=0，即U +=U -，称为“虚短”。
（2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即称为“虚断”。
这说明运放对其前级吸取电流极小。
以上两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。
1．基本放大电路： 1）反向比例放大器电路如图1-1所示。
对理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：i 1F O U R R U -=，为了减少输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2=R 1∥R F图1-1 反向比例放大器 图1-2 同相比例放大器 2）同相比例放大器电路如图1-2所示。
对理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：i 1FO )U R R 1(U +=，其中R 2= R 1∥R F 。
测控电路课后习题答案(修改)
第二章信号放大电路2-1何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。
对其基本要求是：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；⑥高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。
2-2什么是高共模抑制比放大电路？应用何种场合？有抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。
应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。
2-3图2-17b所示电路，N1、N2为理想运算放大器，R4=R2=R1=R3=R，试求其闭环电压放大倍数。
由图2-17b和题设可得u01 =u i1 (1+R2 /R1) = 2u i1 , u0=u i2 (1+R4 /R3 )–2u i1 R4/R3 =2u i2–2 u i1=2(u i2-u i1)，所以其闭环电压放大倍数K f=2。
2-4图2-18所示电路，N1、N2、N3工作在理想状态，R1=R2=100kΩ，R P=10kΩ，R3=R4=20kΩ，R5=R6=60kΩ，N2同相输入端接地，试求电路的差模增益？电路的共模抑制能力是否降低？为什么？由图2-18和题设可得u o = (u o2–u o1) R5 / R3 =3(u o2–u o1 ), u o1 = u i1 (1 + R1 /R p)–u i2 R1/R p=11u i1, u o2= u i2(1+R2/R p)–u i1 R2/R p=–10u i1, 即u o=3（–10u i1–11u i1）=–63u i1，因此，电路的差模增益为63。
电路的共模抑制能力将降低，因N2同相输入端接地，即u i2=0，u i1的共模电压无法与u i2的共模电压相抵消。
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式中 k —— 玻耳兹曼常数，k =1.38×10-23J/K； T —— 导体的绝对温度（K）； B —— 测量系统的噪声带宽(Hz)； R —— 导体阻抗的实部(Ω)。
测控电路
2020/5/4 9
2. 信号放大电路
2.1 测量放大电路的主要误差源
低频噪声 与晶体管表面的状态以及PN结的漏电流有关的噪声
R1
2 1 R2R4 R1R3
增益与共模抑制比牵连
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
三、三运放高共模抑制比放大电路
∞
ui1
+
+ uo1
R3
- N1
R1
R7
IR
R0
RP
∞ -
R2
R8
+
ui2
+ N2
uo2 R4
RP调整两臂平衡
R5
∞
-
+
+ N3
uo
R6
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路 三、三运放高共模抑制比放大电路
ui1
+ +
- N1
uo1 R1
R4
R3
∞
-
R5
+
+ N3
uo
∞ -
R2
R3 R4
ui2
+
+ N2
uo2
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
当传感器与测量放大电路间有一定距离时，常用屏 蔽电缆连接，屏蔽层一般接地。电缆输入芯线与其屏蔽
层之间的电容C1和C2 ，以及传感器和传输电缆内阻RS1 和RS2将在放大器输入端形成两个积分电路。共模输入 信号uic 在RS1、RS2上产生jωRS1C1uic、jωRS2C2uic的压降
//
Rf
R2 )
1 2
IIO ( R1
//
Rf
R2 )
当 R2 R1 // Rf 时，可以 消除偏置电流 IIB 引起的 误差，此时
VO (1 Rf / R1 )(VIO IIOR2 )
VIO 和 IIO引起的误差仍存在 当电路为积分运算时，
即 Rf 换成电容C，则
vO
(
t
)时 间(1 越RR长1f )，V误IO差(t)越 I大IO，(t)且R2易使R11输C 出V进IO入(t)饱dt和 状II态O(。t)R2d
RS1
ui1
C1
a
差动
uic
ui2
放大器
uo
C2
b
RS2
2.信号放大电路
ui1
∞ +
+ - N1
uo1 R1
2.2 高共模抑制比放大电路
ui2
R5
∞ -
+ + N2
R2 uo2
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
引起输出端差模电压
uc uoc2 uoc1 uic RS2C2 RS1C1
对于原来 CMRR 的电路
2. 信号放大电路
测控电路
2020/5/4
2. 信号放大电路
何谓测量放大电路？ 在测量控制系统中，用来放大传感器输出
的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称 为测量放大电路。
测量放大电路是测控电路的基本组成部分， 本章讨论以精为主线，将灵放在重要位置， 同时考虑快与可靠。
2. 信号放大电路
R2
∞
ui
∞
ui1
+
+ uo1
R3
R5
- N1
R1
R7
IR
∞ -
R0
RP
+
+ N3
uo
∞ -
R2
R8
R6
+
ui2
+ N2
uo2 R4
电路特点： 1. 输入阻抗高； 2. 增益调整方便； 3. 对于理想运放，共模
抑制比趋向无限大。
IR
uo2 ui2 R2
ui1 uo1 R1
ui2 ui1 R0
uo1
(1
CMRR
1
RS2C2 RS1C1
R4
R3
-∞
+
+ N3
uo
R3
R4
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
引入有源屏蔽驱动电路，屏蔽电缆芯线与屏蔽层共 模电压为零，消除了屏蔽电缆电容的影响。
∞
+
ui1
+
- N1
R1
R0
R4
R3
∞
-
R5
uc
+
+ N3
uo
基本差动放大电路是反相放大电路与同相放大
电路的组合
反相放大电路 R2
同相放大电路
∞
ui
R1
+
+N
R3
∞
ui
+
+ -N
uo
uo
R1
R2
R3
Kf
R2 R1
Kf
1 R2 R1
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
独立作用原理
一、基本差动放大电路
R2
ui1作用时电路的输出uo1
uo1
R2 R1
VO
R1 R1 Rf
(IIB
IIO 2
)( R1
// Rf
)
VIO
VP VN
(IIB-IIO/2)(R2//Rf)
R1//Rf
R1VO R1 R f
VIO
VN VP
R2
Vo
(IIB-IIO/2)R2
1、 VIO、IIO不为零时的情况
解得误差电压
VO
(1
Rf
/
R1 )VIO
IIB ( R1
Kcuic
Kduid
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
一、基本差动放大电路
CMRR
Kd
1 2
R3
R4
R4
R1 R2 R1
R2 R1
Kc
R4 R1 R2 R2
R3 R4 R1
R1
电路结构简单，但输入阻抗较低，增益调节困难。
2.信号放大电路
基尔霍夫定理
2.2 高共模抑制比放大电路
ui1
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
二、同相串联高共模抑制比放大电路
ui2 ui1
∞ +
+ - N2
∞ +
uo R4
R3
uo
(1
R2 R4 R1R3
)uic
1 2
(1
2R4 R3
R2 R4 R1R3
)uid
取
R1 R4 R2 R3
Kd
1
R4 R3
+ - N1
uo1 R2
1 2R4 R2R4 CMRR 1 R3 R1R3
模抑制比影响，
由阻抗不匹配引起附加共模增益
Kd
CMRRR
运算放大器N3的有限共模抑制比引起的附加共模增益 Kd
CMRR3
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
1 Kc CMRR Kd
五、运放器件偏离理想特性的影响
（2）差动放大器特性不理想
总附加共模增益比
1 1 CMRRR CMRR3
总共模抑制比
CMMR3
CMRR3 CMRRR
CMRRR CMRR3
2. 信号放大电路
精
2.3 低漂移放大电路
某些传感器输出的信号电压常在在微伏级，且为直 流缓变信号，漂移是一个关键难题。常用措施包括 (1)尽早调制；(2)共模抑制；(3)采用低漂移信号放 大电路。
许多情况下难以在传感器内直接调制，减小测量放 大电路的电压漂移，实现低漂移信号放大至关重要。
∞ -
R2
R0
R3 R4
ui2
+
+ N2
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
1 Kc CMRR Kd
五、运放器件偏离理想特性的影响
（1）差动放大器件特性不一致
共模电压产生差动电压
uc uc Kc1 Kc2
引起共模抑制比变化
∞
ui1
+
+ uo1
R3
R5
- N1
R1
R7
IR
∞ -
R0
RP
R1 R0
)ui1
R1 R0
ui2
uo2
(1
R2 R0
)ui2
R2 R0
ui1
uo2
uo1
(1
R1 R2 R0
)(ui2
ui1 )
Kd
uo2 ui2
uo1 ui1
1
R1 R2 R0
2.信号放大电路
2.2 高共模抑制比放大电路
四、带有源屏蔽的共模抑制比放大电路
∞
在信号传输中常采用屏蔽电缆
集成电路中放大器通过模拟开关切换轮换工作，半 个周期测量保存、失调电压，另半个周期放大输出， 对失调电压进行校正，实现自动调零。
2. 信号放大电路
2.3 低漂移放大电路
R2
Ui
一、自动调 零放大电路
Sb1
R1
- K1
+
+ N1
Sa2
C1 Sa1