第二节信号的放大放大器的基本任务，是对来自传感器或电桥电路的微小信号(通常是毫伏级或微伏级的模拟信号)进行线性放大，以适应显示、记录、变换、传输等进一步处理的要求。为了保证足够的精度和稳定性，对放大器有如下的要求：(1)足够的灵敏度、线性度和稳定性(包括信噪比S/N)。(2)足够高的输入阻抗，应远高于信号源内阻。(3)足够宽的动态范围(最小和最大容许输入量间的范围)。放大器的动态范围一般在 1000倍（60dB）左右，与信噪比有关。(4)足够宽的通频带，在给定的频率范围内有良好的幅频和相频特性。(5)足够的抗干扰能力。(6)一定的负载能力。(7)使用和调整方便。常用的放大器有以运算放大器为核心的测量放大器、调制放大器（载波放大器和斩波放大器)和电荷放大器等。一、测量放大器测量放大器又称仪用放大器，是由一个或多个运算放大器组成的直接耦合放大器，特点是高灵敏度、高输入阻抗、低输出阻抗和宽频带。目前非电量测量中使用最多的是运算放大器。(一)运算放大器的基本概念运算放大器是一种具有高放大倍数带深度负反馈的多级直接耦合放大器。其电路符号和等效电路如图3-12所示。它有两个输入端，即同相输入端（用"+"表示)和反相输入端（用"-"表z奇Q41*1V=A+图3-12运算放大器的电路符号和等效电路E
16 第二节 信号的放大 放大器的基本任务，是对来自传感器或电桥电路的微小信号(通常是毫伏级或微伏级的模 拟信号)进行线性放大，以适应显示、记录、变换、传输等进一步处理的要求。为了保证足够 的精度和稳定性，对放大器有如下的要求： (1)足够的灵敏度、线性度和稳定性(包括信噪比 S/N)。 (2)足够高的输入阻抗，应远高于信号源内阻。 (3)足够宽的动态范围(最小和最大容许输入量间的范围)。放大器的动态范围一般在 1000 倍（60dB）左右，与信噪比有关。 (4)足够宽的通频带，在给定的频率范围内有良好的幅频和相频特性。 (5)足够的抗干扰能力。 (6)一定的负载能力。 (7)使用和调整方便。 常用的放大器有以运算放大器为核心的测量放大器、调制放大器(载波放大器和斩波放大 器)和电荷放大器等。 一、测量放大器 测量放大器又称仪用放大器，是由一个或多个运算放大器组成的直接耦合放大器，特点 是高灵敏度、高输入阻抗、低输出阻抗和宽频带。目前非电量测量中使用最多的是运算放大 器。 (一)运算放大器的基本概念 运算放大器是一种具有高放大倍数带深度负反馈的多级直接耦合放大器。其电路符号和 等效电路如图 3-12 所示。它有两个输入端，即同相输入端(用"+"表示)和反相输入端(用"-"表 图 3-12 运算放大器的电路符号和等效电路
示)。A。为开环放大倍数。输入信号(被放大信号)V,是两个输入电压V+和V-之差；输出电压为V。，它们的相互关系为Vo= A(v+ -V- )= AV.(3-33)运算放大器主要由输入级、中间增益级、输出级和偏置电路等部分组成。输入级应具有高输入阻抗、低漂移和对噪声等干扰信号有高抑制能力。因此，几乎所有的运算放大器都采用差动放大电路：中间增益级应有尽可能高的放大倍数，一般由1到2级放大级组成：输出级应具有一定的输出功率和低输出阻抗：偏置电路为各级电路提供合适的工作点1．.运算放大器的主要性能参数(1)开环差模电压放大倍数(A）又称开环差模电压增益。它是运算放大器不加外部反馈时的输出电压与输入差模电压之比。由式(3-33)可知VAo=V-V.7或用分贝表示法为4 =20/运算放大器的开环放大倍数越高，则其使用精度也越高。Ao的值约为103~10°或60~120dB。(2)输入失调电压(VOS)和输入失调电压温漂（dVos/dT）差动放大器抑制零点漂移的基本原理在于电路的对称性，理想状态是输入信号为零时，输出信号亦为零。而实际上电路不可能完全对称，故零输入时的输出并不为零。将此不为零的输出电压换算到输入端就称为输入失调电压，它等于输出电压V。与运放闭环放大倍数A，（即运放有外部反馈时的放大倍数）的比值，即Vos=V。/A,。Vos的大小表示了输入级的对称程度。显然Vos应越小越好。输入失调电压Vos随温度T的变化，称为输入失调电压温漂，这种温漂用温度系数dVos/dT表示7
17 示)。 A0 为开环放大倍数。输入信号(被放大信号) Vi 是两个输入电压 + V 和 − V 之差;输出电压 为 Vo，它们的相互关系为 ( ) V0 = A0 V −V = A0Vi + − (3-33) 运算放大器主要由输入级、中间增益级、输出级和偏置电路等部分组成。输入级应具有 高输入阻抗、低漂移和对噪声等干扰信号有高抑制能力。因此，几乎所有的运算放大器都采 用差动放大电路；中间增益级应有尽可能高的放大倍数，一般由 1 到 2 级放大级组成；输出 级应具有一定的输出功率和低输出阻抗；偏置电路为各级电路提供合适的工作点。 1．运算放大器的主要性能参数 (1)开环差模电压放大倍数( A0 ) 又称开环差模电压增益。它是运算放大器不加外部反 馈时的输出电压与输入差模电压之比。由式(3-33)可知 或用分贝表示法为 Vi V A 0 0 = 20lg 运算放大器的开环放大倍数越高，则其使用精度也越高。A0 的值约为 103~106 或 60~120dB。 (2)输入失调电压( VOS )和输入失调电压温漂( dVOS / dT ) 差动放大器抑制零点漂 移的基本原理在于电路的对称性，理想状态是输入信号为零时，输出信号亦为零。而实际上 电路不可能完全对称，故零输入时的输出并不为零。将此不为零的输出电压换算到输入端， 就称为输入失调电压，它等于输出电压 V0 与运放闭环放大倍数 Af （即运放有外部反馈时的 放大倍数）的比值，即 VOS =V0 Af / 。VOS 的大小表示了输入级的对称程度。显然 VOS 应越 小越好。 输入失调电压 VOS 随温度 T 的变化，称为输入失调电压温漂，这种温漂用温度系数 dVOS / dT 表示
dVosAVhVbel - Vbe2dT式中Vbe—三极管发射极至基极间的电压显然dVos/dT越小越好，这也是在直接耦合放大器中尽可能采用硅管的原因。（3）共模抑制比（CMRR）共模抑制比是差模放大倍数A.与共模放大倍数A。的比值，即CMRR= 4Ac或用对数表示为CMRR=20g 4gA差模信号是指一对幅度相等而相位相反（以“地”为参考点）的信号，可表示为Vn=Vz=0.5V。根据式（3-20），差模放大倍数Aa=V。/V,。共模信号是指一对幅度相等、相位相同（以“地”为参考点）的信号，可表示为Vn=Vz=Ve，共模放大倍数A=Voe/VeV和Vo分别为输入和输出共模电压信号共模信号是因温度、电源电压波动等一些共有因素产生的漂移信号或者是噪声干扰、工频干扰信号，因此CMRR越大，输出共模信号就越小，放大器的性能就越好。由上述可见，理想运算放大器的性能参数应当是：①开环差模放大倍数A,=8；②输入阻抗Z,=8，输出阻抗Z。=0③共模抑制比CMRR=80；①输入失调电压Vos=0，输入失调电压温漂dVos/dT=0③频带宽度W.=；当然，理想的运算放大器是不存在的，但实际的集成运放的一些性能接近于理想情况（如表3-2所示）。因此在具体分析时，将实际的运算放大器近似地看成理想运算放大器，并不会引起明显的误差。10
18 T V T V V dT dVOS be be be = − = 1 2 式中 Vbe —三极管发射极至基极间的电压。 显然 dVOS / dT 越小越好，这也是在直接耦合放大器中尽可能采用硅管的原因。 （3）共模抑制比（ CMRR ） 共模抑制比是差模放大倍数 A0 与共模放大倍数 AC 的比值， 即 AC A CMRR 0 = 或用对数表示为 C O A A CMRR = 20lg 差模信号是指一对幅度相等而相位相反（以“地”为参考点）的信号，可表示为 Vi Vi 5Vi 0. 1 = 2 = 。根据式（3-20），差模放大倍数 Ad VO VI = / 。 共模信号是指一对幅度相等、相位相同（以“地”为参考点）的信号，可表示为 Vi1 = Vi2 = Vic ， 共模放大倍数 Ac Voc Vic = / ，Vic 和 Voc 分别为输入和输出共模电压信号。 共模信号是因温度、电源电压波动等一些共有因素产生的漂移信号或者是噪声干扰、工频干 扰信号，因此 CMRR 越大，输出共模信号就越小，放大器的性能就越好。 由上述可见，理想运算放大器的性能参数应当是： ①开环差模放大倍数 Ad =∞； ②输入阻抗 Zi =∞，输出阻抗 Zo =0； ③共模抑制比 CMRR=∞； ④输入失调电压 VOS =0，输入失调电压温漂 dVOS / dT =0; ⑤频带宽度 WB =∞； 当然，理想的运算放大器是不存在的，但实际的集成运放的一些性能接近于理想情况（如 表 3-2 所示）。因此在具体分析时，将实际的运算放大器近似地看成理想运算放大器，并不 会引起明显的误差
表3-2理想和实际运算放大器的主要性能参数主要参数理想运放实际运放输入阻抗Z2MQ输出阻抗Z。750~10°（60~120dB)开环差模放大倍数A输入失调电压Vos5uV/C输入失调电压源公会70~100dB共模抑制比CMR2.运算放大器的三种基本接法(1)反向输入运算放大器见图3-13a，信号由反向端输入，输出与输入信号反相位因同相端接地，-=V，反相输入端处于虚地工作状态，故两输入端即PvnY.OC图3-13 运算放大器的基本接法反相输入by同相输差动输入间几乎不存在共模电压。差模放大倍数A=R，/R（可以大于1，也可以小于1)输入电阻小（R，R），这是因为电压并联反馈使输入电流增大，输入电阻因而减小。(2)同相输入运算放大器见图3-13b，信号由同相端输入，输出与输入信号同相位。差摸模放大倍数A=1+R，/R（可大于或等于1)。共模信号大，与输入信号相近，远大于差模信号。输入电阻很大。 是集成运放输入阻R的1+4 ,年R,但一倍，这是因为电压串联反馈使输入电流减小，输入电阻因而增大。(3)差动输入运算放大器见图3-13c，在满足电阻匹配条件R=R，R,=R，时，差19
19 表 3-2 理想和实际运算放大器的主要性能参数 主要参数 理想运放 实际运放 输入阻抗 Zi ∞ 2MΩ 输出阻抗 Zo 0 75Ω 开环差模放大倍数 Ad ∞ 103~106 (60~120dB) 输入失调电压 VOS 0 1mv 输入失调电压温漂 dT dVOS 0 5μv/℃ 共模抑制比 CMRR ∞ 70~100dB 2．运算放大器的三种基本接法 (1)反向输入运算放大器 见图 3-13a，信号由反向端输入，输出与输入信号反相位。 因同相端接地，即 + V =0， V = Vi − ，反相输入端处于虚地工作状态，故两输入端 间几乎不存在共模电压。 差模放大倍数 1 Ad Rf / R (可以大于 1，也可以小于 1)。 输入电阻小( Ri R1 )，这是因为电压并联反馈使输入电流增大，输入电阻因而减小。 (2)同相输入运算放大器 见图 3-13b，信号由同相端输入，输出与输入信号同相位。 差摸放大倍数 1 Ad 1+ Rf / R (可大于或等于 1)。共模信号大，与输入信号相近，远大 于差模信号。 输入电阻很大，是集成运放输入电阻 R 的 R Rf R A + + 1 1 1 0 倍，这是因为电压串联反馈使 输入电流减小，输入电阻因而增大。 (3)差动输入运算放大器 见图 3-13c，在满足电阻匹配条件 R1 = R2 ， Rf = Rp 时，差 (a) (b) (c) 图 3-13 运算放大器的基本接法 a) 反相输入 b) 同相输入 c)差动输入
模放大倍数A,=1+R,/R，共模放大倍数A.=0。输入电阻R，=2R，因受R，限制，R，不可能取得很大，故输入电阻小，只能用在信号源内阻比R,小得多的场合，这是它的主要缺点。（二）测量放大器的典型应用测量放大器是一种精度高、稳定性好、漂移低、线性度好、输入阻抗高、抗共模干扰能力强、调整方便的高性能差动放大器。它可以放大直流交流和脉冲信号，被广泛用于各种测量仪器中，如应变片电桥、热电偶或热电阻信号及其它微小信号的放大。图3-14是一种较典型的仪用放大器的电路原理图。可用于应变片电桥输出信号的放大。设电桥为等臂电桥（R=R=R,=R,=R），单臂工作，R臂有AR的电阻变化。则差模信号电压为输入信号电压之差的平均值，即VARRVAFA4R8R图3-14用于电桥信号放大的仪用放大器共模信号电压为输入信号电压之和的平均值，即(-V2) =22R+AR可见差模电压与△R/R的大小成正比，是有用信号电压。而共模电压决定于供桥电压V的大小，故放大器的两输入端对地均有很高的共模电压，其值可达V12。这就要求该放大器不仅具有较高的差模放大倍数，而且具有很强的共模抑制能力。为了不影响电桥的工作，放大器还应有很高的输入阻抗。20
20 模放大倍数 1 Ad = 1+ Rf / R ，共模放大倍数 Ac =0。 输入电阻 Ri = 2R ，因受 R f 限制， R1 不可能取得很大，故输入电阻小，只能用在信 号源内阻比 R1 小得多的场合，这是它的主要缺点。 （二） 测量放大器的典型应用 测量放大器是一种精度高、稳定性好、漂移低、线 性度好、输入阻抗高、抗共模干扰能力强、调整方便的高性能差动放大器。它可以放大直流、 交流和脉冲信号，被广泛用于各种测量仪器中，如应变片电桥、热电偶或热电阻信号及其它 微小信号的放大。 图 3-14 是一种较典型的仪用放大器的电路原理图。可用于应变片电桥输出信号的放大。 设电桥为等臂电桥（ R1 = R2 = R3 = R4 = R ），单臂工作， R1 臂有 R 的电阻变化。则差模信 号电压为输入信号电压之差的平均值，即 ( ) R V R R V R Vd V V V = = − = 2 4 8 1 2 1 2 1 2 1 共模信号电压为输入信号电压之和的平均值，即 可见差模电压与 R / R 的大小成正比，是有用信号电压。而共模电压决定于供桥电压 V 的大小，故放大器的两输入端对地均有很高的共模电压，其值可达 V /2。这就要求该放大器 不仅具有较高的差模放大倍数，而且具有很强的共模抑制能力。为了不影响电桥的工作，放 大器还应有很高的输入阻抗。 图 3-14 用于电桥信号放大的仪用放大器