智能仪器设计基础课件III正式

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1、智能仪器设计基础（三）主讲人：曾翔君第三讲智能仪器的前向通道3.1运算放大器的原理及应用运算放大器的电子学基础1运算放大器的非理想特性3运算放大器的噪声4运算放大器的典型应用电路2商用运放的种类和特点52第三讲智能仪器的前向通道3.1.1运算放大器的电子学基础N+N+多晶硅栅SiO2P-Si电极N沟道MOSFETcbedsgbcN+PNeNPN三极管3共射极放大（1）直流工作点设计动态范围：Vcc/2功率消耗：Vcc*Ic（2）交流小信号特性分析微变等效电路：输入阻抗：输出阻抗：电压放大倍数：负

2、载效应：（1）接收单端信号输入，动态范围取决于电源范围和直流工作点（2）具有电压放大能力，该能力与负载相关（3）具有较低的输入阻抗，不利于直接连接信号源（4）具有较高的输出阻抗，带负载能力有限结论——不理想的放大器4（1）接收单端信号输入，动态范围取决于电源范围和直流工作点（2）不具有电压放大能力（3）具有较高的输入阻抗，有利于直接连接信号源（4）具有较低的输出阻抗，带负载能力较好结论——较理想的阻抗变换器共集电极放大电路（射极跟随器）（1）直流工作点设计动态范围：Vcc/2功率消耗：Vcc*I

3、c（2）交流小信号特性分析微变等效电路：输入阻抗：输出阻抗：电压放大倍数：负载效应：5单端信号放大的问题单端信号：信号的参考为直流电源的地单电源供电单端放大器双电源供电单端放大器信号变换的四端口原理，有源变换电路电阻传感器用于测量环境量的变化，这种变化引起电阻的变化电阻的绝对值变换成电压或者电流信号是一个显著的值电阻的变化量变换成电压或者电流信号的变化量则非常微弱，需要放大显然，放大变化量需要抑制绝对值的影响，否则放大器会饱和不平衡电桥是消除绝对值影响的一个很好的解决方案电桥的输出是一个差分信号

4、，仅仅反映电阻的变换量放大差分信号需要抑制共模信号，这是对差分放大器的基本要求6差分放大器镜像电流源偏置差分放大器（1）直流工作点设计共模电压动态范围（2）交流小信号特性分析微变等效电路共模输入阻抗差模输入阻抗共模放大倍数差模放大倍数输出阻抗恒流源——有限的直流内阻，无穷大的交流内阻发射极电阻RE被恒流源取代——交流共模输入阻抗极大的提高直流工作点不受影响差模输入阻抗不受影响7镜像电流源Wilson镜像电流源基本恒流源典型的恒流源电路恒流源构成的锯齿波发生电路（工作于临界饱和点附近的电流源）（克

5、服不理想恒流特性的电流源）压降被钳位8带有源镜像电流源负载差分放大器（BJT）带有源镜像电流源负载差分放大器（JFET）简单的两级运放集电极RC被恒流源取代——增益的极大提高JFET作为运放输入级——无直流偏置电流运放的思想：（1）差分输入（2）共模抑制（3）极高的增益（4）极高的输入阻抗（5）较低的输出阻抗93.1.2运算放大器的理想特性基本参数（开环参数）增益很高的差分放大器电压增益auA741:200V/mV(106dB)OP-77:12V/uV(141.6dB)共模输入阻抗rc差分输入电

6、阻rd输出电阻ro理想运算放大器第三讲智能仪器的前向通道10第三讲智能仪器的前向通道3.1.3运算放大器的负反馈连接‘虚短’负反馈的作用：降低增益灵敏度减小非线性失真克制干扰和噪声113.1.4基本运算放大器电路（1）跟随器反相放大器同相放大器第三讲智能仪器的前向通道单电源或双电源单电源或双电源双电源123.1.4基本运算放大器电路（2）电流-电压变换器高灵敏度电流-电压变换器第三讲智能仪器的前向通道电压-电流变换器1（负载浮动）电压-电流变换器2（负载浮动）改进：可采用双运放实现简单的设计13

7、3.1.4基本运算放大器电路（3）第三讲智能仪器的前向通道负阻转换器（NIC）电压-电流变换器3（Howland电流泵，负载接地）电流源工作条件电荷放大器143.1.4基本运算放大器电路（4）反相加法器第三讲智能仪器的前向通道同相加法器差分放大器三运放仪表放大器（电桥和可编程运放）153.1.4基本运算放大器电路（5）第三讲智能仪器的前向通道信号的共模与差模（1）共模信号与差模信号的测量逻辑上总是三端测量，两个信号端与一个参考端；（2）差模信号与信号的参考无关，它们总是两个信号端之间的差；（3）

8、共模信号则取决于其参考，不同的参考具有不同的共模信号幅值；（4）共模信号与差模信号不仅是电压信号，也可以是电流信号；163.1.5基于运算放大器的滤波器（1）第三讲智能仪器的前向通道一阶有源滤波器稳定条件？积分器微分器Holand积分器带增益低通带增益高通带增益带通移相器173.1.5基于运算放大器的滤波器（2）第三讲智能仪器的前向通道二阶有源滤波器二阶系统的频域表达低通响应（1）二阶响应，使得高频渐近线陡度增加了两倍的斜率（2）对附近的幅度形状调节增加了自由度（3）Q=0.707，成为巴特沃斯