前置放大器的设计及应用.docx
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前置放大器的设计及应用
前置放大器的设计与应用
一、实验目的
1.明白得前置放大器的相关概念,明白得差模信号与共模信号,了解当前最新的一些前置放大器IC的类别及要紧指标和特性,学习前置放大器的设计技术。
2.实际进行差分信号产生、测试;用单运放组成仪表放大器,并进行性能测试;
3.利用前置放大器IC进行设计、测试与应用。
4.了解阻抗匹配、偏置电路设计及共模信号抑制的经常使用方式。
二、实验仪器及器件
1.实验所需设备
序号
名称
型号/规格
数量
1
数字式万用表
1块
2
20MHz双通道数字示波器
1台
3
函数信号发生器
1台
4
双通道稳压电源
1台
2.实验所需元器件
基础实验部份所需器件扩展实验部份所需器件
序号
名称
型号
数量
1
运算放大器
LM324
1片
2
运算放大器
OP07或uA741
3片
3
电阻
50
1
4
电阻
1K
1
5
电阻
2
6
电阻
10K
3
7
电阻
20K
4
8
电阻
1M
2
9
电位器
1K
1
10
电位器
2K
1
11
电位器
10K
1
序号
名称
型号
数量
1
仪表放大器
AD623
1片
2
电阻
1K
1
3
电阻
100K
1
4
电位器
10K
2
5
瓷片电容
2
6
电解电容
10uF
2
7
小喇叭
1
三、预习要求
1.依照提供的附件材料明白得与前置放大器相关的一些概念,温习函数信号发生器、数字示波器等仪器的利用方式。
明白得文氏电桥振荡电路原理。
2.学会阅读IC的英文数据手册,明白得运放各要紧指标特性的含义。
3.温习运放进行线性放大的相关理论知识,能对输入电阻、输出电阻、共模抑制比CMRR及增益进行计算。
要紧相关概念及公式如下:
差模信号是两个输入电压之差:
υid=υi1-υi2
共模信号是两个输入电压的算术平均值:
υic=(υi1+υi2)/2
差模电压增益:
AVD=υod/υid=υod/(υi1-υi2)
共模电压增益:
AVc=υoc/υic=2*υoc/(υi1+υi2)
依照线性放大电路叠加原理求出总的输出电压:
υo=AVDυid+AVcυic
共模抑制比:
KCMR=|AVD/AVc|
共模抑制比用分贝数(dB)表示:
KCMR=20lg|AVD/AVc|dB
四、实验原理
通过传感器输入的信号,一样信号幅度很小(毫伏乃至微伏量级),且常常伴随有较大的噪声。
关于如此的信号,第一步一般是采纳仪表放大器先将小信号放大。
那个放大的最要紧目的不是增益,而是提高电路的信噪比,将需要的信号从噪声中分离出来;同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好,动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的好坏直接阻碍到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
图1典型三运放仪表放大器电路
仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它要紧由两级差分放大器电路组成。
其中,运放A1、A2为同相差分输入方式,同相输入能够大幅度提高电路的输入阻抗,减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入能够使电路只对差模信号放大,而对共模输入信号只起跟从作用,使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)取得提高。
如此在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中,在CMRR要求不变情形下,可明显降低对电阻R1和R3,R2和R4的精度匹配要求,从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R5=R6,R1=R3,R2=R4的条件下,图1电路的增益为:
G=(1+2R5/Rg)(R2/R1)。
由公式可见,电路增益的调剂能够通过改变Rg阻值实现。
运放作为模拟电路的要紧器件之一,能处置双极性或单极性信号:
双极性确实是信号在转变的进程中要通过“零”点,单极性只是“零”点,只在一边转变。
在供电方式上有单电源和双电源两种,双电源供电运放的输入能够是在正负电源之间的双极性信号,而单电源供电的运放的输入信号只能是0~供电电压之内的单极性信号,其输出亦然。
双电源供电的运放电路,能够有较大的动态范围;单电源供电的运放,能够节约一路电源。
单电源供电的运放的输出是不能达到0V的,对接近0V的信号放大时误差专门大,且容易引入干扰;而双电源供电的稳固性比单电源的要好。
单电源供电对运放的指标要求要高一些,般需要用轨对轨(R-R),运放的价钱一样会贵点。
单电源用V+,GND,一样还需生成一个与GND不同的模拟地AGND,因此放大电路的组成形式上有所不同,往往用单电源的电路较用双电源的要稍复杂一些,以达到一样的目的。
随着器件水平的提高,有愈来愈多的用单电源供电代替双电源供电的应用,这是一个趋势。
差分信号确实是幅度相同、相位相差180°的两信号。
运放处置的是这对信号的差值,它们的共模信号那么被抑制掉。
这信号的共模电压能够处于运放输入信号范围内的任何电压。
差分信号会具有两倍单端信号的摆幅。
伪差分信号与差分信号类似,伪差分信号也是一对信号,但它的参考端或负端是一个直流电平,用来去除正端信号中的直流成份。
伪差分信号与差分信号在减小地环流和噪声方面是超级相似的,不同的是差分输入模式下,负端输入是随时刻转变的,而在伪差分模式下,负端输入是一个不变的直流参考。
差分信号的要紧益处是:
能够很容易地识别小信号;一个干扰源几乎相同程度地阻碍差分信号对的每一端,而有效的只是差值信号,因此对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的;在一个单电源系统,能够比较好的精准地处置双极性信号。
五、基础实验内容
前置放大器基础实验内容有有两个方面内容:
一个是对差分信号进行了解、测量,第二个内容是以三运放组成的典型的仪表放大器为例,了解仪表放大器对差分小信号的放大,熟悉信号采纳单端输入、双端输入的形式。
1.明白得差模信号与共模信号的概念,如以下图2(a)为一个电桥,通过改变RW1或RW2能够使A、B两点的电压改变,测量A、B两点的共模电压和差模电压。
表1共模、差模电压测试
组数
A点电压
Va
B点电压
Vb
共模电压Vc=(Va+Vb)/2
差模电压Vd=Va-Vb
1
2
3
明白得差分信号、伪差分信号、单极性信号、双极性信号的概念,并熟悉每种信号的优缺点。
图2(b)为将信号源输出信号转化为差分信号的电路,利用双通道示波器的两个探头同时测量A、B点对地波形,再利用一个探头测量AB两点间的波形,记录波形并描述特点(LM324供电电压±5V,信号源输出5KHz,3Vpp的正弦信号)。
图2(a)差模与共模信号测量图2(b)差分信号转换电路
2.分立运放组成典型仪表放大器电路的测试,明白得共模信号与差模信号,测试共模与差模放大倍数,计算共模抑制比;明白得单端输入、双端输入与差分输入方式进行放大电路设计(利用三个经常使用的运放OP07或uA741组成仪表放大器进行测试)。
(1)单端输入(将输入端一个接地,另一端接信号):
如图3所示,将输入端一个接地,另一端接信号(接电桥B点)。
用万用表测试B点输入信号(调剂RW2)及输出信号电压(OUT端对地电压)。
此种方式可用于作一样单极性信号放大。
表2单端输入信号测试
组数
单端输入电压(mv)
输出电压(mv)
增益
1
2
3
图3典型仪表放大器单端输入信号电路
(2)共模信号双端输入(即同时从两输入端输入一个信号):
如图4所示,将两个输入信号端短接后接到电桥B点,现在为双端输入的一个共模信号,调整RW2,用万用表测试输入信号(B点电压)及输出信号电压。
计算共模放大增益。
图4典型仪表放大器双端输入信号电路
表3共模输入测试数据
组数
共模输入电压υic
(mv)
输出电压υoc
(mv)
共模增益AVc=υoc/υic
1
2
3
(3)差模信号双端输入:
如图5所示,将两输入端别离接到A、B两点,调剂RW1或RW2会致使电桥不平稳,在A、B两点取得一个差模信号,对仪表放大器而言还有共模输入信号。
调剂RW1或RW2,用万用表测试A、B点的输入电压和输出信号电压(OUT端对地电压)。
表4差模输入测试
组数
RW1两端电压υi1
RW2两端电压υi2
差模输入
电压υid=υi1-υi2
输出电压υod
差模增益
AVD=υod/υid
1
2
3
(4)依照表3测试的数据计算并分析该仪表放大器的共模与差模放大倍数、共模抑制比。
(5)分析RW3的作用。
图5典型仪表放大器输入差模信号电路
六、扩展实验内容
前置放大器扩展实验内容包括两个方面的内容:
一个是利用专用的仪表放大器来对交流差分小信号进行放大,另一个是实现语音前置放大的具体实例。
1.利用专用仪表放大器AD623放大5KHz的差分信号。
(注意VCC+和VSS-之间的电压差不能大于10V。
明白得单电源供电、双电源供电、单极性输出、双极性输出方式、增益改变及输出偏置调整。
)
图6专用仪表放大器AD623应用电路
图6中的A、B端子指的是图2(b)中差分信号输出端A、B。
将此信号用100K和1K电阻分压后作为AD623的输入信号。
(1)双电源供电:
VCC+接+5V,VSS-接-5V。
将图2(b)中产生的差分信号经分压网络后接信号输入端IN+、IN-。
(2)调剂RW1和RW2,记录现象。
在波形无失真时用示波器测量输入、输出电压,计算增益。
(3)单电源供电:
VCC+接+5V,VSS-接地。
(4)调剂RW1和RW2,记录现象。
在波形无失真时用示波器测量输入、输出电压,计算增益。
(5)计算输入、输出电阻,分析如何实现输入阻抗匹配及输出阻抗匹配。
2.利用专用仪表放大器AD623作语音前置放大。
电路图如以下图6所示,在AD623的输入端二、3脚接上一个小喇叭或小耳机,对着喇叭说话,用示波器测量6脚OUT的波形。
调剂RW1及RW2,记录波形如何转变。
另外可在OUT端及AGND端接上喇叭,能够听声音成效。
图7专用仪表放大器AD623作语音前置放大电路
3.关于电容式话筒,比如驻极体话筒,利用AD623设计一个语音前置放大电路。
七、试探题
1.总结实验进程中的调试进程。
2.前置放大器应用总结、分析:
3.要紧分析如下内容:
单端输入、双端输入、差分输入、双电源工作、单电源工作、输入耦合、阻容元件匹配、提高信噪比及共模抑制比的方式等。
4.总结实验的收成、体会及碰到的问题。
八、实验电路的制作及调试注意事项
1.注意供电电源的范围,注意正负电源必然要共地线。
2.选择5KHz不失真波形送到AD623进行放大。
3.分立运放组成典型仪表放大器电路中元器件较多,专门要注意遍地电阻不要连错。
要学会多用万用表检测各点的电压来判定故障所在。
4.示波器测量AD623的输出时是相对AGND进行。
《前置放大器设计与应用》实验补充资料
一、有关概念:
一、共模信号与差模信号:
当两个输入端的输入电压别离为Vi1和Vi2时,两信号的差值称为差模信号,两信号的算术平均值你为共模信号,即:
差模信号:
Vid=(Vi1-Vi2)共模信号:
Vic=(Vi1+Vi2)/2
依照以上概念,能够写成Vi1=Vic+Vid/2和Vi2=Vic-Vid/2
能够看出,两个输入端的信号均能够分解为共模信号与差模信号两部份。
实际应用中,分析直流信号时一样称为差模信号,分析交流信号时称为差分信号。
2、差分信号与伪差分信号:
差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的不同。
从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相关于另一个电压而言的。
在某些系统里,系统“地”被用作电压基准点,当“地”用作电压测量基准时,这种信号就被称之为单端信号。
区别于一样的一根信号线一根地线的信号,差分信号要用两根线来传输,这两个信号的振幅相等,相位相反,两根线上电压差值即表示信号。
这两根线上传输的信号确实是全差分信号,也确实是常说的差分信号。
该信号跟地不发生直接关系,也确实是说,差分信号的传输,“地”是能够浮动的,两根差分线跟“地”之间的阻抗能够是高阻。
差分信号能够抑制共模噪声,因此能够取得更高的信噪比。
伪差分与全差分信号类似,伪差分信号也是一对信号,但它的参考端或负端是一个直流电平,前面所说的单端信号能够看做是一种特殊的伪差分信号(参考端为地)。
差分输入模式下,负端输入是随时刻转变的,而在伪差分模式下,负端输入必然仅仅是一个参考。
差分信号有如下要紧特点:
①抗干扰能力强。
干扰噪声一样会等值、同时的被加载到两根信号线上,而其差值为0,即,噪声对差分信号不产生阻碍。
②能有效抑制电磁干扰(EMI)。
由于两根线靠得很近且信号相等,这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等,同时他们的信号相反,其电磁场将彼此抵消。
因此对外界的电磁干扰也小。
③能够很容易地识别小信号。
在一个地做基准的单端信号系统里,测量信号的精准值依托系统内“地”的一致性。
信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有不同的可能性就越大,小信号有可能就被湮没。
差分信号是自己操纵“基准”电压,与'地'的精准值无关,因此在某一范围内很容易识别小信号。
④在一个单电源系统中,能够从容精准地处置“双极性”信号。
为了处置单端、单电源系统的双极性信号,咱们必需在地和电源之间某任意电压处(一般是中点)成立一个虚地。
用高于虚地的电压来表示正极性信号,低于虚地的电压来表示负极性信号。
接下来,必需把虚地正确地散布到整个系统里。
而关于差分信号,不需要如此一个虚地,而不必依托虚地的稳固性。
⑤时序定位准确。
差分信号的同意端是两根线上的信号之差发生正负跳变的点,作为判定逻辑0/1跳变的点的。
而一般单端信号以作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的阻碍较大,不适合低幅度的信号。
3、双极性与单极性:
双极性确实是信号在转变的进程中要通过“零”(或地),单极性只是”零”,只在“零”点的一边转变。
4、共模抑制比:
为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力,经常使用共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其概念为放大器对差模信号的电压放大倍数Avd与对共模信号的电压放大倍数Avc之比,英文全称是CommonModeRejectionRatio,因此一样用简写CMRR来表示。
5、差模输入阻抗:
运放工作在线性区时,两输入端的电压转变量与对应的输入端电流转变量的比值。
差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容,在低频时仅指输入电阻。
一样产品也仅仅给出输入电阻。
采纳双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧;场效应管做输入级的运放的输入电阻一样大于109欧。
6、共模输入阻抗:
运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的转变量与对应的输入电流转变量之比。
在低频情形下,它表现为共模电阻。
通常,运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多,典型值在108欧以上。
7、输出阻抗:
运放工作在线性区时,在运放的输出端电压转变量与对应的电流转变量的比值。
在低频时仅指运放的输出电阻。
那个参数在开环测试。
8、轨到轨概念:
从输入来讲,其共模输入电压范围(信号对地电压输入叫共模)能够从负电源到正电源电压;从输出来看,其输出电压范围能够从负电源到正电源电压。
“轨到轨(rail-to-rail)”的特性即:
它的输入或输出电压幅度即便达到电源电压的上下限,现在放大器也可不能像常规运放那样发生饱和与翻转。
例如,在+5V单电源供电的条件下,即便输入、输出信号的幅值低到接近0V,或高至接近5V,信号也可不能发生截止或饱和失真,从而大大增加了放大器的动态范围。
这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。
9、信噪比:
即SNR(SignaltoNoiseRatio),狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比,常经常使用分贝数表示。
设备的信噪比越高说明它产生的杂音越少。
一样来讲,信噪比越高,说明混在信号里的噪声越小,不然相反。
差分输入的SNR通常比单端输入要高得多。
10、供电方式(单电源供电,双电源供电):
运放作为模拟电路的要紧器件之一,在供电方式上有单电源和双电源两种,双电源供电的运放的输入能够是在正负电源之间的双极性信号,而单电源供电的运放的输入信号只能在0~供电电压之内的单极性信号,其输出亦然。
双电源供电的运放电路,能够有较大的动态范围;单电源供电的运放,能够节约一路电源。
单电源供电的运放的输出是不能达到0V的,而双电源供电的稳固性比单电源的要好。
单电源运放对接近0V的信号放大时误差专门大,且容易引入干扰。
单电源供电对运放的指标要求要高一些,一样需要用轨对轨(R-R),运放的价钱一样会贵点。
随着器件水平的提高,有愈来愈多的用单电源供电代替双电源供电的应用,这是一个趋势。
11、零点漂移(零漂):
在直接耦合的放大电路中,即便将输入端短路,在输出端也会有转变缓慢的输出电压。
这种输入电压为零而输出电压偏离原先起始点而上下漂动的现象,称为零点漂移现象。
12、失调电压:
又称输入失调电压,记为Uio,即室温及标准电源电压下,运放两输入端间信号为零时,为使输出为零,在输入端加的补偿电压。
13、开环带宽BW(-3dB带宽):
将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,在运放的输出端测得开环电压增益下降3dB(或是相当于运放的直流增益的)所对应的信号频率。
那个指标要紧用于小信号处置中运放的选型。
14、单位增益带宽GB:
运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降3dB(或是相当于运放输入信号的)所对应的信号频率。
单位增益带宽是一个很重要的指标,关于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,确实是当明白要处置的信号频率和信号需要的增益以后,能够计算出单位增益带宽,用以选择适合的运放。
这个指标要紧用于小信号处置中运放选型。
15、全功率带宽BW:
在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端,使运放输出幅度达到最大(许诺必然失真)的信号频率。
那个频率受到运放转换速度的限制。
近似地,全功率带宽=转换速度/2πVop(Vop是运放的峰值输出幅度)。
全功率带宽是一个很重要的指标,用于大信号处置中运放选型。
16、转换速度(也称为压摆率)SR:
运放接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速度。
由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,因此运放的反馈回路不起作用,也确实是转换速度与闭环增益无关。
转换速度关于大信号处置是一个很重要的指标,关于一样运放转换速度SR<=10V/μs,高速运放的转换速度SR>10V/μs。
目前的高速运放最高转换速度SR达到6000V/μs。
这用于大信号处置中运放选型。
17、成立时刻:
在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时刻。
由于是阶跃大信号输入,输出信号达到给定值后会显现必然抖动,那个抖动时刻称为稳固时刻。
稳固时刻+上升时刻=成立时刻。
关于不同的输出精度,稳固时刻有较大不同,精度越高,稳固时刻越长。
成立时刻是一个很重要的指标,用于大信号处置中运放选型。
同时作为A/D转换前端信号调理时也直接阻碍整个数字信号输出的延迟时刻。
18、等效输入噪声电压:
屏蔽良好、无信号输入的运放,在其输出端产生的任何交流无规那么的干扰电压。
那个噪声电压折算到运放输入端时,就称为运放等效输入噪声电压(有时也用噪声电流表示)。
关于宽带噪声,一般运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。
19、偏置电流:
运放是集成在一个芯片上的晶体管放大器,偏置电流确实是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流,那个电流保证放大器工作在线性范围,为放大器提供直流工作点。
因为运算放大器要求尽可能宽的共模输入电压范围,而且都是直接耦合的,不可能在芯片上集成提供偏置电流的电流源。
因此都设计成基极开路的,由外电路提供电流。
因为第一级偏置电流的数值都很小,从uA到nA数量级,因此一样运算电路的输入电阻和反馈电阻就能够够提供那个电流了。
而运放的偏置电流值也限制了输入电阻和反馈电阻数值不能够过大,不然不能提供足够的偏置电流,使放大器不能稳固的工作在线性范围。
二、前置放大器设计技艺:
设计工程师设计放大器时,要紧关切的是供电方式、电源电流、信号类型、–3dB带宽、单位增益带宽、压摆率、共模抑制比(CMRR)、输入电压补偿和补偿电压温漂、噪声(指输入)和输入偏置电流等指标,因此器件选型和电路设计都要围绕这些指标进行。
一、在利用多个运放构建仪表放大器时,要注意保证电阻之间的匹配性,以达到更高的共模抑制比。
二、为了保证仪表放大器的平安,需要在输入信号时加入爱惜电路,简单的一样利用二极管来箝位输入的共模和差分信号,并能够加限流电路来爱惜电路。
3、仪表放大器的输入阻抗高,共模抑制比高,放大的是差分信号。
4、仪表放大器一样在仪表、医疗、传感器信号调理等方面应用普遍,也能够用在需要对大噪声和干扰下的高阻抗的微弱信号的检测上。
五、对许多应用来讲,要从噪声环境或直流偏移电压背景中提掏出微弱的信号,CMRR特性超级重要。
运算放大器和仪表放大器都具有必然的共模抑制特性。
可是仪表放大器能阻止共模信号出此刻放大器的输出端。
而运算放大器尽管也有CMR,但共模电压通常仍是会以必然的增益随着信号传送到输出端。
六、仪表放大器是具有差分输入和单端输出的闭环增益电路单元。
仪表放大器一样还有一个基准输入端,以便让利用者能够对输出电压进行上或下的电平移位。
利用者能够用一个或多个的内部或外部电阻来设定增益。
7、关于小信号,单位增益带宽常常作为运放选型的重要指标,运算放大器闭环工作时,频率响应要紧决定于单位增益带宽。
当工作在大信号时,运算放大器的频率特性那么不能用以上带宽衡量。
关于大信号,压摆率是衡量放大器转换速度的重要指标。
八、若是设计要求必然要用大数值的反馈电阻和输入电阻,能够考虑用J-FET输入的运放,因为J-FET是电压操纵器件,其输入偏置电流参数是指输入PN结的反向漏电流,数值应在pA数量级。
一样是电压操纵的还有MOSFET器件,能够提供更小的输入漏电流。
长江大学电子信息学院孙先松
2020年4月18日礼拜一