检测电路传感器教案课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*检测电路,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,*检测电路同相比例放大器,1,同相比例放大,A,u,=1十R,i,R,2,R,1,-,+,A,+,-,U,S,R,S,R,2,U,F,U,0,输入阻抗,增益,r,i+,=r,i,(1十AF),r,i,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,r,i,10,4,开环增益为10,4,，,F 0.1（闭环增益为10），则放大器的闭环输入阻抗为,10,7,。,同相比例放大 Au=1十RiR2 R1-+A+-USR,2,反相比例放大,A,u,=,R,f,/R,1,U,SS,+,-,U,0,-,+,A,R,1,R,2,R,f,限制带宽,增益,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10M，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。,反相比例放大 Au=Rf/R1 USS+-U0-+AR1R,3,电流电压变换放大,U,0,=R,f,i,s,U,0,-,+,R,1,R,2,R,f,i,1,i,o,A,I,S,增益,放大电路的精度取决于R,f,的稳定性,电流电压变换放大U0=Rfis U0-+R1R2Rfi1,4,差动放大,U,0,-,+,A,R,1,R,1,R,2,R,2,U,C,U,S,/2,U,S,/2,U,U,+,U,1,U,2,+,+,+,+,-,-,-,-,扩大输入共模电压范围,增益,特点,：,提高电路共模抑制比，减小温度漂移。,差动放大U0-+AR1R1R2R2UCUS/2US/2UU,5,自举型高输入阻抗放大器,I,1,R,2,R,1,U,i,A,1,U,0,A,2,R,p,R,1,R,p,R,2,R,2,I,I,i,U,01,-,+,+,-,A,1,自举型高输入阻抗放大器I1R2R1UiA1U0A2RpR1R,6,斩波稳零放大器,1.闭环状态斩波稳零放大器,1,2,0,0,T,1,T,1,T,2,T,2,A,1,OSC,+,+,_,A,2,+,_,U,i,C,1,S,1,S,3,S,2,1,2,A,3,_,+,U,o,C,2,图中开关S,2,和电容C,1,以及S,3,、C,2,、A,3,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A,l,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,。,内部时钟CP由振荡器(OSC)提供，若在时钟。0T,1,时间内，开关S,1,、S,2,、S,3,，停在端位置，即S,2,接通、S,1,、S,3,断开，相应电路状态如下图。,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,斩波稳零放大器1.闭环状态斩波稳零放大器 1200T1T,7,放大器工作状态之一,A,2,+,_,A,1,+,_,U,OS1,U,C1,U,OS2,U,O1,C,1,+,_,U,C2,U,O,A,3,_,+,C,2,+,_,在此时间内,电容C,l,记存了A,l,的失调电压U,os1,，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。,由于此时A,3,与A,1,之间被切断(S,3,断开)，所以A,3,的输出电压U,O,为,U,0,=U,c2,C,2,上记有的电压U,c2,，是前一时刻放大器A,1,的输出电压。,在时钟T,1,T,2,时间内，开关S,1,、S,2,、S,3,停留在端位置上，即S,1,、S,3,接通、S,2,断开，相应的电路状态如图,放大器工作状态之二,A,1,+,_,A,3,_,+,U,i,+,+,+,+,_,_,U,os1,U,c1,U,c2,U,o1,C,1,C,2,U,0,放大器工作状态之一A2+_A1+_UOS1UC1UOS2UO,8,这时，A,l,同相端与输入信号U,i,接通，由于A,1,的反相端还保存着前一时刻的失调电压U,c1,U,os1,，所以这时A,1,的输出电压U,ol,为,上式表明，A,1,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U,o,为,当时钟控制开关再回到端位置时，U,c2,保持不变，放大器A,3,(接成跟随器工作)继续以A,1v,U,i,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，A,l,的漂移不断被校正，这就是动态校零的工作原理。,开关S,1,、S,2,、S,3,一般用MOSFET完成。,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,9,2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器),开环状态斩波稳零放大器原理图,+,_,A,2,+,_,A,1,U,i,U,os,U,o1,U,c,U,01,S,1,S,2,C,U,0,当开关S,1,、S,2,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U,off,使电容器C两端充电至U,c,=U,off,。U,off,为,U,off,=A,1d,U,os,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,。A,1d,为A,1,放大器的开环电压增益。,当开关S,2,断开，S,1,接通输入信号U,i,时，放大器输出电压U,0,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。,2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器)开环状态,10,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。,U,o,U,i,+,_,A,1,+,_,A,2,+,_,A,3,S,1,S,2,S,3,S,4,C,1,C,2,C,n,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R,i,无穷大、C,i,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AD(模数)转换器或比较器。,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,11,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,-,+,A,3,-,+,A,1,-,+,A,2,R,4,R,6,R,7,R,5,R,2,R,1,R,G,V,1,V,2,V,4,V,5,V,3,V,6,V,0,I,G,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一,12,失调参数的影响,+,-,A,3,-,+,A,2,+,-,A,1,R,1,V,2,V,1,R,G,R,2,=R,1,R,4,R,4,R,5,R,5,V,0,V,3,假设由三运放失调电压V,OS,及失调电流I,OS,所引起的误差电压折算到各运放输入端的值分别为V,1,、V,2,和V,3,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R,4,=R,5,图示极性的V,1,和V,2,所引起的输入误差是相互抵消的。若运放A,1,和A,2,的参数匹配，则失调误差大为减小。V,3,折算到放大器输入端的值为2V,3,/A,f1,，所以等效失调参数很小，即对运放A,3,的失调参数要求可降低些。,失调参数的影响+-A3-+A2+-A1R1V2V1RG,13,A,1,V,o,R,11,R,1,A,3,R,8,V,i2,R,7,R,6,V,i1,R,9,R,10,A,2,R,2,R,3,R,4,R,5,R,W,氖泡,NL,2,22k,NL,1,22k,氖泡,10k,10k,2k,22k,22k,22k,22k,2k,9k,10k,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,R,W,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R,W,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%。,A1VoR11R1A3R8Vi2R7R6Vi1R9R10A2,14,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。,i,F,i,O,i,F,i,O,(),i,F,i,O,c,e,i,F,i,O,e,c,(),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。,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,15,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。,V,CC,V,i,A,2,R,W 1,R,1,OE,1,V,CC,V,O,E,CC,E,CC,R,W 2,R,W 3,R,W 4,R,2,R,3,OE,2,A,2,V,CC,V,CC,A,1,V,i,R,2,R,1,A,2,R,3,T,OE,V,O,E,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,16,