放大器与信号调节器解析.docx

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放大器与信号调节器解析

放大器与信号调节器

1.1简介

来自传感器的信号通常没有适合显示的特征，记录，传播，或进一步处理。

例如，他们可能没有振幅，功率，等级，或所需的带宽，或者他们可能有附加的端口让想得到的信息，无法正常显示。

信号调节器，包括放大器、传感器信号应该适应接收机的要求（电路或设备）来连接。

执行的函数信号调整器的功能源于信号和接收器。

通常，接收器需要单端，低频（dc）和低输出阻抗和电压振幅范围接近其供电电压（s）。

模拟-数字转换器（ADC）就是个典型的接收器。

传感器中的信号可以是模拟或数字信号。

数字信号来自位置编码器、开关、或基于震荡器的传感器连接到频率计数器。

数字信号的振幅必须兼容数字接收机的逻辑水平，以及他们的边缘必须足够快，以防止任何不当的触发。

大电压可以用电压分压器减弱，缓慢的边缘可以用施密特触发器加速。

模拟传感器可自触发的或调制。

自触发的传感器产生一个电压（热电偶、光伏和电化学传感器）或电流（压电和热释电传感器）的带宽等于被测变量的。

调制传感器产生阻力的变化，电容，自感和互感，或其他电器数量。

调制传感器应易触发或偏置（基于节点半导体传感器），这样可以提供一个输出电压或电流。

阻抗变差传感器通常放置在电压两脚规，也有在惠斯通桥（电阻传感器）或交流电桥（电阻和变电抗传感器）。

信号调制传感器信号的带宽应等于直流激光或有偏置的测量的传感器，并是直流激光传感器被测变量的两倍（载波频率的边带）。

电容性的和电磁感应的传感器需要一个交流励磁，其频率必须至少十倍于最大频率变化测量范围。

帕拉斯-阿雷尼和韦伯斯特[1]给不同的传感器作出了等效电路，分析其接口。

电流信号可以通过电路串联电阻器转换成电压信号。

格雷姆[2]分析二极管电流-电压转换器，使其适用于其他信号源。

此后，我们将参考电压信号来分析信号调节器中的转化。

1.2动态范围

被测变量的动态范围是测量范围和所需的分辨率的商。

任何情况下，处理传感器信号形式必须有一个动态范围，即等于或大于被测变量。

例如，测量以0.1°C为分辨率，从0到100°C的温度，我们至少需要（100-0）/0.1=1000（60dB）的动态范围。

因此，10位ADC可很好的将信号数字化，因为

=1024。

让我们假设我们有一个10位ADC，输入范围是0到10V;其分辨率将试是10V/1024=9.8mV。

如果传感器灵敏度是10mV/°C，并连接ADC，9.8mV分辨率的ADC的将导致9.8mV/（10mV/°C）=0.98°C的分辨率！

尽管有合适的动态范围，我们不能得到所需的温度分辨率，因为我们传感器的输出范围（0到1V）与ADC的输入范围（0到10V）不匹配。

电压放大器的基本功能是放大输入信号，其输出延伸到整个后续阶段的输入范围。

在上面的例子中，一个放大器的增益10，将传感器输出范围匹配ADC输入范围。

此外，放大器的输出应该只取决于输入信号，和信号源连接放大器时不应该受干扰。

为了满足这些需求，应根据输入信号的特点选择合适的放大器。

1.3信号分类

信号可被以下量划分：

振幅能级，源终端和地面之间的关系，带宽，其输出阻抗的值。

低于约100mV的信号被认为是低能级，当然他们需要被放大。

若大的信号还需要放大，则取决于接收器的输入范围。

单端和差分信号

在恒定电压下，单端信号源仅有两个恒压输出终端中的一个。

例如，图1.1显示了一个分压器的终端L仍然是供电参考电压，与传感器电阻无关，如图1.1所示。

如果终端L是接地电位（图1.1接地供电），则信号是单端接地。

如果终端L从地面分离（例如，如果电池供电），则信号是单端浮动的。

如果终端L是恒压地面，则信号是单端驱动远离地面。

终端H的电压是信号加中断接地电压的总和。

因此，中断接地电压与H和L电压相同;因此，它被称为共模电压。

例如，连着一个功率晶体管的热电偶，提供一个的幅值基于晶体管外壳温度的信号，与共模电压是否等于外壳电压也相关。

图1.1据源终端的信号等级。

分压器（a）提供了一种单端信号（b）在终端L是恒压。

惠斯通电桥传感器（c）提供了一个平衡微分信号，其区别是两个电压v和幅值相同符号相反，也和共模电压v相关。

对远小于共模电压的差分信号，（e）为等效电路。

如果参考点接地，信号（单端或差分）将接地;如果参考点是浮动的，信号也会浮动。

差分信号源有两个输出终端，电压同时变化，大小相等但方向相反。

惠斯登电桥在图1.1c提供了一个差分信号。

其等效电路（图1.1d）显示，有一个与x成比例的差动电压（

）x和一个没有任何与x相关的信息共模电压（

）。

此外，两个输出阻抗是平衡的。

我们因此有一个平衡的叠加共模电压的差分信号。

若输出阻抗不同，信号将无法平衡。

如果电桥电源接地，则差分信号接地;否则，它将浮动。

当差分信号与共模电压相比非常小时，为了简化电路分析通常使用等效电路如图1.1e。

一些差分信号（接地或浮动）没有任何共模电压。

信号调节必须确保传感器信号和接收器之间的兼容性，这取决于输入终端和地面之间的关系。

例如，一个差分接地信号是不符合一个输入端接地的放大器。

因此，还必须根据他们的描述输入放大器拓扑。

窄频带和宽频带信号

窄频带信号对于其中心频率有一个很小的频率范围。

窄带信号可以是直流电，或是静态的，产生非常低的频率，如热电偶，磅秤，或交流电，比如来自于交流电驱动调制传感器的信号，在这种情况下，增加的频率（载体）成为中央频率。

图1.1（接上图）

宽带信号,比如来自声音和振动传感器,相对于其中心频率有一个大的频率范围。

因此,中心频率值是至关重要的,1Hz到10kHz的信号是宽带仪器信号,但是两个大约1MHz的10kHz信号被认为是一个窄带信号。

交流窄带信号的调节更简单,因为调节器的性能只需要保证与载波频率相对应。

高低输出阻抗信号

信号的输出阻抗决定信号调节器输入阻抗。

图1.2显示了一个电压信号连接到一个输入阻抗Z的设备。

电压检测将是

因此，检测到的电压只有当

才等于信号电压;否则

，将会有一个负载效应。

此外，它可能发生，一个低

扰乱传感器，改变

值,导致测量值无用，或者更糟的是，损坏传感器。

在低频段，它甚至是相对容易的去实现大的输入阻抗或高输出阻抗信号，比如压电传感器。

但是，在高频段，偏离的输入参数使其更加困难。

对于窄带信号来说，这不是一个难题，因为

和

的值将几乎恒定并且任何由于负载效应的衰减都可以在以后考虑。

然而，如果宽带信号的阻抗是频变的，那么每个频率信号产生的不同衰减也无法弥补。

具备很高的输出阻抗信号最好建模为电流源，图1.2b。

通过检测器的电流将是

图1.2连接到电压检测器的电压信号的等效电路是（a），连接到电流检测器电流信号的等效电路是（b）。

在（a）中，我们要让

，以防止任何负载效应；在（b）中，要使

，以防止任何分流效应。

为了

，让

是比

更容易实现。

如果

没有足够低，将会有一个分流效应。

1.4通用放大器参数

电压放大器产生输出电压，输入终端电压差将比例复制，无论任何共模电压及没有加载电压源。

图1.3是通用（微分）放大器的等效电路。

如果一个输入终端连接到一个输出终端如图1.3b所示，放大器是单端的；如果这个共同的终端接地，放大器是单端接地的；如果常见的终端是与地面隔离，放大器是单端和浮动的。

在任何情况下，输出功率来自电源，输入信号仅控制输出信号的形状，其振幅是由放大器增益决定的，定义为

图1.3通用放大器、微分（a）（b）或单端。

输入电压控制输出电压的振幅，其电力来自于电力供应。

理想的放大器有所有信号所需的增益频率。

一个实际的放大器增益，由于寄生电容，将转降于高频。

为了减少噪音和杜绝干扰，通常进一步添加活性组件，以减小带外频率的增益。

如果增益减少到10的n倍，当频率增加10，我们说的增益（向下）斜率是20ndB/十。

放大器角点（或-3dB）频率f是带通的收益的70%。

（注:

20log0.7=-3dB）。

f的增益误差是30%，这对很多应用来说太大了。

如果一个最大误差e在给定频率f下可接受，那么的转角频率放大器将是

例如，

=0.01需要

=7f，

=0.001需要

=22.4f。

有频率组件宽带信号大于f，会使振幅失真。

集中在某一频率窄带信号比f大，将以低于预期被放大增益，但如果实际增益被测量，增益误差以后可以更正。

每当增益减小，输出信号将延迟输出。

在上面的放大器中，一个输入正弦波的频率

将导致输出正弦波推迟到45°（与正弦波频率

相对衰减30%）。

有频率分量的复杂的波形接近

将使形状（或阶段）失真。

为了较好地复制输出波形，相位延迟应该零或与频率成正比（线性相移）。

这最后的要求很难得到实现。

因此，对于宽带信号，通常设计带宽大于最大输入频率的放大器。

窄频带信号导致的延迟，可被测量和纠正。

理想放大器有无限大的输入阻抗。

那么，与信号相连时，将没有输入电流流入，图1.2中，信号源中没有能量被利用，这将保持原状。

然而，实际放大器，是一个有限大容量且体积大，输入阻抗在低频中由于偏离输入电容而在较大的频率衰减。

如果传感器是通过同轴电缆带接地屏蔽连接到调节器，对地电容可能非常大（70到100pF/m，取决于电缆直径）。

电容可以减少使用驱动屏蔽（或防护装置）。

如果使用双绞线代替，导线之间的电容是只有大约5到8pF/m，但可能存在电容干扰的风险。

与远程传感器相连的信号传感器，一定要被电压和输入电流所限制。

电流可以通过插入一个功率电阻器（100Ω到1000Ω，例如1W）来限制，即在每个信号源引线和调节器输入端口，加PTC电阻器或保险丝。

输入电压可连接以下设备限制，稳压管，金属氧化物压敏电阻，气体放电设备，或其他突波抑制非线性设备。

从每个直流输入行到供电线路或接地，这取决于特定保护设备。

一些可用的商业电压限值器如：

Thyzorb®和Transzorb®（通用半导体-油墨辊），Transil®和Trisil®（SGS-Thomson）SIOV®（西门子），和TL7726（德州仪器）。

理想的放大器也是零输出阻抗。

由于有限的输入阻抗，在下面情况下没有负载效应，低输出噪声，无限的输出功率。

实际放大器确实可以有低输出阻抗和低噪音，但他们的输出功率是非常有限的。

常见的信号放大器提供最多约40mA输出电流，有时只有10mA。

但是很明显，功率增益作为输入电流可以在微微安培级（

A）和输入电压范围的毫伏范围（

V）。

10V，10mA输出，将有着

的功率增益。

然而，可用的输出功率很小（100mW）。

功率放大器恰恰相反，他们有一个相对较小的功率增益，但提供了一个高功率输出。

信号和功率放大器，他们的输出功率来自电源，而不是输入信号。

一些传感器信号不需要放大但只要阻抗变换，例如，匹配其输出阻抗的传输线。

放大器用来阻抗变换（或匹配）。

G=1时被称为缓冲区。

1.5仪表放大器

仪表信号，所谓的仪表放大器（IA）能在一个较低的成本（1.50美元）提供性能最理想的放大器。

在图1.4可看到IA的符号。

图1.4b可看到输入/输出关系。

在理想情况下是一条直线，斜率为G，经过点（0，0），但实际上它是一个不在零点的，看似直线，但斜率与G是有点区别的。

.输出电压是

取决于输入电压

，第二项包括偏移、漂移、噪声、抗干扰误差。

G是设计增益，

是参考电压，一般0V（但不一定，允许输出电平变化）。

方程1.5描述了一个最坏的情况即加上了误差源的绝对值。

在实际应用中，一些误差源可忽略不计。

图1.5，误差分析的电路模型，实际上IA连接到一个信号源（假定是微分完整）。

阻抗每个输入端对地（

）和输入终端（

）都是有限的。

此外，如果输入终端都接地，

不为零而是与G相关，由

决定。

如果输入终端通过电阻接地，

值也取决于这些电阻；由电流源

和

建模，代表输入偏置或电流泄漏。

这些电流需要返回路径，或要用第三根引线将信号源与放大器相连，或共同接地。

和

和

都不是常数，而是随温度时间改变。

即缓慢变化（<0.01Hz）叫漂移。

、快速变化描述为噪声（图1.5中，

，

，

都是噪声源）。

IAs常见的规格在参考3中定义。

如果电压同时应用于

输入，则

取决于

和它的频率。

共模增益为

为了描述由VC决定的输出电压作为输入误差，我们必须相应的用G除以v（正常或差模增益，G=G）。

共模抑制比（CMRR）的定义是

通常用分贝表示

。

输入误差电压是

图1.4测量放大器。

（a）符号。

（b）理想和实际输入/输出关系。

理想的响应是一条通过点

（0，0）和斜率G的直线。

在上面的分析我们假设

;否则，如果有任何不平衡（例如图1.5的源阻抗），电压源中的

会导致在放大器输入中有差模电压，这是由于被

放大了。

图1.5实际测量放大器的模型,包括主要的误差来源。

然后,实际的的共模抑制比为

CMRR单独用IA的,表示为一个分数,不是以分贝形式。

输入终端的偏移电容接地Z将减小,因此

也减小了。

理想的放大器是不受电源波动影响的。

当供应电压变化时，放大器显示输出波动。

对于缓慢变化来说，等效输入误差可以表示为一个输入偏移电压的一个小变化，即电源抑制比（PSRR）

方程1.5中的条款可以详细如下解释。

由于增益误差，我们将得到

G是理想微分增益,e是其绝对误差,

为其热漂移，

是实际温度与规定增益G之间的微分,

是非线性增益误差,它描述了输入/输出关系在多大程度上偏离直线（在图1.4）。

实际温度

这样计算，周围电流温度

与电源

耗散在设备上产生的温度相加。

耗散温度与热敏电阻

相关，即