智能仪器设计基础课件第三讲 智能仪器的前向通道.ppt

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智能仪器设计基础（三） 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3/39第三讲智能仪器的前向通道N+N+多晶硅栅SiO2P-Si电极N沟道MOSFETdsgSIWIVsatlinearsaturationVGS-VTL3 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bcN+PNeNPN三极管k-波尔兹曼常数，q-电子电量，T-绝对温度kT/q不随工艺的更新而改变，只包括基本物理参数和绝对温度指数传输特性，具有陡峭的特性曲线，其跨导比其它半导体器件要高缺点是存在基极电流，且增益β不太确定4 负载电容构成主极点源电阻非常高时，输入电容才有可能构成主极点5 ABClassamplifier6 SourceFollowerVoltagebufferCascodeCommonGateCurrentbuffer7 8 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9 （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*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：负载效应：10 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，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11 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12 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）（克服不理想恒流特性的电流源）压降被钳位13 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14 3.1.2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15 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16 3.1.4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17 3.1.4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18 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19 3.1.4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）20 3.1.4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）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；21 3.1.5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22 3.1.5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，成为巴特沃斯响应，该曲线最接近理想陡峭模型23 3.1.5基于运算放大器的滤波器（3）第三讲智能仪器的前向通道二阶有源滤波器高通响应带通响应24 3.1.5基于运算放大器的滤波器（4）第三讲智能仪器的前向通道二阶有源滤波器（1）二阶无源RC滤波器的频率特性（2）Q<0.5，通带截止频率受到限制（1）KRC低通（2）对Q具有参数调整能力（3）高Q有利于信号频率与截止频率接近的场合（4）常采用等值元件来设计25 3.1.5基于运算放大器的滤波器（5）第三讲智能仪器的前向通道二阶有源滤波器KRC高通KRC带通多重反馈低通多重反馈带通26 3.1.6运算放大器的受控源特性与电路求解（1）第三讲智能仪器的前向通道负反馈运算放大器受控电压源受控电流源可调R、L、C电路元件负阻抗传递函数27 3.1.6运算放大器的受控源特性与电路求解（2）第三讲智能仪器的前向通道问题：受控电流源反向，则电路将如何变化？28 3.1.6运算放大器的受控源特性与电路求解（3）第三讲智能仪器的前向通道通用阻抗转换器（GIC）（1）接地电感：Z2（或Z4）选择电容，其它Z选择电阻（2）接地频变电阻：Z1和Z5选择电容，其它Z选择电阻（3）有源电路实现阻抗并不如实际的电阻、电感性能更好，存在温漂和响应速度29 3.1.6运算放大器的受控源特性与电路求解（4）第三讲智能仪器的前向通道可调阻抗的通用实现方法可调电感可调电阻可调电容可调电阻30 3.1.6运算放大器的受控源特性与电路求解（5）第三讲智能仪器的前向通道可调电容可调电感31 3.1.6运算放大器的非理想特性（1）第三讲智能仪器的前向通道32 3.1.6运算放大器的非理想特性（2）输入偏置电流IB实际运放输入引脚吸收的少量电流NPNBJT或P沟道JFET:I+,I-流入运放PNPBJT或N沟道JFET:I+,I-从运放中流出输入失调电流Ios第三讲智能仪器的前向通道33 第三讲智能仪器的前向通道输入偏置电流和失调电流引起的误差3.1.6运算放大器的非理想特性（3）34 3.1.6运算放大器的非理想特性（4）第三讲智能仪器的前向通道输入失调电压Vos将运放的同反向端短接，运放的非零输出误差模型：热漂移：温度系数35 第三讲智能仪器的前向通道输入失调电压引起的误差3.1.6运算放大器的非理想特性（5）36 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的非理想特性（6）共模抑制比（CMRR）运放的差分放大倍数与共模放大倍数之比误差模型：当运放的差分输入为零，而由共模电压或共模电压的变化引起运放的非零输出37 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的非理想特性（7）电源抑制比（PSRR）运放供电电压的变化引起运放输出的变化误差模型：38 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的非理想特性（8）输入摆动引起的失调电压实际运放的开环增益a是总是有限的反馈为有差系统误差模型：非理想运放的总失调考虑前述各项因素后的总失调误差模型：39 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（1）运算放大器只能从直流到某一个给定的频率范围内提供高增益，超过这个频率，增益就会随着频率的增加而下降，并且输出相对于输入来说还会有一个延时。单位增益频率增益带宽积闭环带宽全功率带宽上升时间转换速率建立时间40 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（2）一个运算放大器的开环响应可能会很复杂，但是常见的运放为了稳定它们的特性，防止产生不需要的振荡，在芯片上集成了若干补偿元件，成为内部补偿的运算放大器，因此其开环特性仅受到一个低频极点的控制。直流增益（低频增益）主极点频率米勒效应倍增性质41 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（3）一个运算放大器的开环响应除了含有Req和Ceq产生的主极点，一般还含有高阶零点和高阶极点，它们是由于组成不同级的晶体管所产生的。主极点频率故意选择很低，是为了确保在高阶根频率时，增益已经完全下降到单位增益以下，因此可以忽略其影响。内部补偿运放的开环传递函数单位增益频率幅频特性穿越0dB时的频率，由于ft>>fb,则增益带宽积内部补偿运放具有恒定的GBP，GBP=ft42 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（4）考虑动态限制的运放的闭环响应跟随器反相放大器同相放大器运放动态性能的限制会引起闭环响应的幅度误差和相位误差负反馈降低了开环增益，但是扩展了带宽，称为扩频带技术负反馈对于相位误差也具有改善作用43 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（5）运放的暂态响应测试电路——跟随器上升时间线性小信号参数，测试条件：小信号方波输入，输出从10%上升到90%的输入幅值所需时间转换速率（SlewRate）逐渐提高输入方波信号的幅值，则响应的斜率会随之增加当输入方波信号的幅值高于某临界值，响应的斜率将出现饱和这个饱和于某个常数的斜率称为运放的转换速率SR（V/us）非线性大信号参数，测试条件：44 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（6）运放的暂态响应测试电路——跟随器无论何时采取措施试图超越运放的SR能力，SR的限制作用都会使信号失真如果要在高的频率条件下工作，就必须将Vom保持在足够低的水平来避免失真最大幅度依赖于具体的运放SR、供电电源以及运放的输出饱和值全功率带宽正弦信号输出：不失真条件：FPB:运放能够产生具有最大可能幅度的无失真交流输出时的最大频率45 第三讲智能仪器的前向通道3.1.6运算放大器的动态特性限制（7）运放的暂态响应测试电路大输入阶跃响应从原点出发一直到开始稳定并保持在一个给定的误差范围内所需要的时间。建立时间大信号阶跃响应的三个阶段：（1）高阶极点引起的初始传输延时；（2）受SR限制的变化；（3）从与SR相关的过载状态中恢复，产生振铃；典型的ts测试电路：（1）R3和R4组成虚地的电路，理想情况下vFG=0（2）实际上，由于运放产生的瞬变现象，vFG会瞬时偏离零值（3）通过观察vFG偏离量可以来测量ts（4）肖特基二极管的作用是防止测量用输入放大器饱和（1）元件引线尽量短；（2）采用金属膜电阻，避免使用绕线式电阻；（3）供电电源的旁路；（4）给输入、负载和反馈网络提供独立的接地回路为了充分实现运放建立时间的能力，必须适当注意元器件的选择，布局和接地；否则会使精心设计的运放失去意义！46 第三讲智能仪器的前向通道干扰噪声：电路与外界或电路自身的不同部分之间多余的相互作用产生的噪声机-电噪声：声音，光，振动等（通过传感器后变换成电噪声）电力线路的频率和它的谐波无线电，射频发生设备机械开关电弧，高压放电电抗元件电压尖脉冲干扰噪声的抑制滤波，去耦合隔离，消除接地回路静电和电磁屏蔽抑制电源噪声3.1.7运放的噪声（1）47 第三讲智能仪器的前向通道固有噪声设法消除全部干扰噪声，电路中仍然呈现固有噪声。固有噪声本质上是随机的，它源于各种随机现象，如电子的热运动。电路中每个节点电压和支路电流都是在它们期望值附近不断波动。信噪比信噪比用于表示在噪声存在的条件下的信号质量。Xs:信号的均方根值（RMS）Xn:噪声分量的均方根值（RMS）3.1.7运放的噪声（2）48 第三讲智能仪器的前向通道噪声特性RMS值和波峰因数噪声是随机量，无法预估一个噪声变量的瞬时值。可在统计的基础上对噪声进行处理。噪声电压或噪声电流xn(t)的均方根值（RMS）定义如下：波峰因数：噪声的峰值与噪声的RMS值的比值。高斯噪声的波峰因数大于3.3时，噪声瞬时值超过的概率为0.1%。实际中高斯噪声的峰峰值取为其噪声RMS的6.6倍T:合适的平均时间间隔:均方值代表1电阻中的噪声信号xn(t)消耗的平均功率3.1.7运放的噪声（3）49 噪声的求和噪声频谱噪声功率通常分布在整个频谱上，这与交流信号集中在特定频率处不同表征噪声必须同时指明测量或计算时所处的频带噪声功率密度（V2/Hz,A2/Hz）噪声谱密度第三讲智能仪器的前向通道3.1.7运放的噪声（4）50 白噪声和1/f噪声具有均匀功率谱密度的噪声，即：白噪声的有效值随着频带的平方根的增加而增加1/f噪声的功率密度随频率变化规律—1/f噪声功率与频带上下限之比的对数成正比，而与频带在频谱中的位置无关集成电路的噪声由白噪声和1/f噪声混合而成的，在高频主要是白噪声，而在低频则主要是1/f噪声第三讲智能仪器的前向通道3.1.7运放的噪声（5）51 第三讲智能仪器的前向通道3.1.7运放的噪声（6）转折频率fce,fci：1/f渐近线和白噪声电平的交点功率密度：噪声RMS52 第三讲智能仪器的前向通道电路中的固有噪声热噪声（约翰逊噪声）：存在于包括实际电感和电容的杂散串联电阻在内的所有无源电阻元件中主要是由电子（或p型半导体电阻中的空穴）的热运动所产生热噪声功率密度与流过电阻的电流无关，而与温度T，电阻值R相关热噪声是白噪声，纯电抗元件没有热噪声3.1.7运放的噪声（6）53 第三讲智能仪器的前向通道散粒噪声任何时候电流流过一个PN结（势垒）都会产生散粒噪声穿过PN结的直流电流微观上是许多随机元电流脉冲的集合散粒噪声具有均匀的功率密度（q是电子电量，I是流过PN结的直流电流）散粒噪声也白噪声，其噪声密度与流过PN结的直流电流成正比闪烁噪声也称为接触噪声或者1/f噪声，半导体器件内的缺陷和杂质形成陷阱，当流过电流时，陷阱随机捕获或释放电荷载流子，引起电流的随机波动在有源器件中，MOSFET含有这种噪声最多，无源元件中，碳质电阻除了热噪声，也包含这种闪烁噪声，故又称附加噪声闪烁噪声总是与直流电流有关，其功率密度形式：3.1.7运放的噪声（6）54 第三讲智能仪器的前向通道雪崩噪声存在于反向击穿的PN结，强电场产生的电子空穴对碰撞产生新的电子空穴对，从而形成雪崩击穿雪崩击穿的电流是由随机分布的噪声尖峰组成雪崩噪声与散粒噪声类似，需要直流电流流动，但是雪崩噪声比散粒噪声更加剧烈齐纳二极管噪声闻名遐迩，这是为什么电压基准一般采用能隙电压基准而不采用齐纳二极管基准的原因3.1.7运放的噪声（6）除了雪崩噪声外，晶体管一般含有所有以上噪声，对晶体管噪声机理的理解能够更好的帮助理解运算放大器的噪声特性55 第三讲智能仪器的前向通道BJT的噪声3.1.7运放的噪声（6）输入噪声密度123451rb产生的热噪声；2集电极电流散粒噪声对于输入的影响；3基极电流的散粒噪声基极电流的闪烁噪声反射到输入端的集电极电流的散粒噪声4556 第三讲智能仪器的前向通道JFET的噪声3.1.7运放的噪声（6）输入噪声密度121沟道的热噪声；2漏极电流的闪烁噪声对输入的影响；JFET在低频和中频下其输入不含电流噪声，但是随着温度的升高以及在高频下电流噪声不能被忽略。与BJT相比，JFET输入的运放比BJT输入的运放具有更高的电压噪声57 第三讲智能仪器的前向通道MOSFET的噪声3.1.7运放的噪声（6）输入噪声密度1231沟道的热噪声；2漏电流的闪烁噪声;3栅极漏电流的散粒噪声MOSFET在低频和中频下其输入不含电流噪声，但是随着温度的升高电流噪声不能忽略。MOSFET输入的运放，其闪烁噪声是主要关注对象，增加晶体管面积可降低该噪声58 第三讲智能仪器的前向通道运放的噪声模型及其输入噪声密度的计算3.1.7运放的噪声（6）噪声是随机的，en(t)，inp(t)和inn(t)的幅度和方向总是不断变化的；噪声必须以RMS的形式而不是以代数的形式相加；总RMS输出噪声Eno被折算到输入端与信号进行比较来确定信噪比SNR以及电路的分辨率。电阻反馈运放电路电路的噪声模型采用叠加定理计算噪声密度，噪声电压和电流源视为独立源叠加采用RMS相加计算换算到运放输入端的总频谱密度59 第三讲智能仪器的前向通道运放的输出噪声密度的计算（1）3.1.7运放的噪声（6）输入电压噪声的输出模型A(jf)为传输增益输入电流噪声的输出模型Z(jf)为传输阻抗如果输入信号为电压信号，则输入噪声以电压噪声的形式叠加在输入信号中被放大如果输入信号为电流信号，则输入噪声以电流噪声的形式叠加在输入信号中被放大噪声增益并不一定等于信号增益，但是为了简单起见往往等同处理；输出噪声的计算公式：噪声密度总输出RMS噪声60 第三讲智能仪器的前向通道运放的输出噪声密度的计算（2）3.1.7运放的噪声（6）一阶滤波器就像理想滤波器那样可以让白噪声通过，但截止频率是原来的1.57倍；这个0.57倍的频率扩展是计及了大于f0的传输噪声；带频率补偿的运放开环响应是一阶函数，故该结论对于运放也是成立的；放大器对白噪声的截止频率等于0.57fb举例1：等效噪声带宽(NEB)举例2：已知：（1）电压白噪声和电流白噪声的频谱密度为enw,innw和inpw（2）运放的单位增益频率为ft计算：在有效时间Tobs内总有效值输出噪声（fL=1/Tobs,fH=∞）61 第三讲智能仪器的前向通道3.1.7运放的噪声（6）总输入噪声密度：电压噪声密度：电流噪声密度：总有效值输出噪声：运放的闭环带宽：输出噪声电压：62 第三讲智能仪器的前向通道3.1.7运放的噪声（6）运放电路的低噪声设计选择具有低噪声电平enw和inw以及低转角频率fce和fci的运算放大器；保持外部电阻足够小，以使电流噪声和热噪声与电压噪声相比可以忽略；把噪声增益带宽严格限制在要求的最小值上。高频噪声抑制-低通噪声带宽限制-带通高频噪声抑制-低通频率补偿，提高稳定性前向通道的R63 商用运放的种类和特点（1）通用运放普通低成本场合应用失调电压和电流指标一般典型产品：LM324:输入失调电压：5mV输入偏置电流：20nA输入失调电流：2nACMRR:80dB电源范围：3-30V（单），+/-1.5-15V（双）64 商用运放的种类和特点（2）精密运放要求较精密测量场合应用失调电压和电流指标较高典型产品：OP07输入失调电压：0.15mV输入偏置电流：12nA输入失调电流：6nACMRR:110dB电源范围：+/-3-18V（双）65 商用运放的种类和特点（3）低电压满幅输出运放（rail-to-rail）要求低电压应用场合，一般2.7-5.5V电压能满幅输出，低功耗失调电压和电流较低，输入阻抗很高典型产品：OPA342静态电源电流：0.15mA输入失调电压：1mV输入偏置电流：10pA输入失调电流：10pACMRR:88dB电源范围：2.7-5.5（单）66 商用运放的种类和特点（4）仪表运放要求精密测量场合极高的共模和差模输入阻抗精确和稳定的增益（1V/V-1000V/V）极高的共模抑制比高精密（低失调，低噪声和温度系数）典型产品：AD620输入失调电压：0.05mV，温度系数：0.6uV/°C输入偏置电流：1nA输入失调电流：1nACMRR:100dB电源范围：+/-2.3-18V（双）67 商用运放的种类和特点（5）数字可编程运放要求量程自动切换，增益数字控制的场典型产品：PGA20268 商用运放的种类和特点（7）高速运放要求高速信号测量典型产品：OPA603带宽：100MHz建立时间：50ns失调电压：5mV偏置电流：25uACMRR:60dB69 商用运放的种类和特点（8）隔离运放：变压器隔离要求隔离测量的场合典型产品：AD202隔离电压：2000VCMRR:120dB非线性：0.025%70 谢谢!71