3.3 信號的放大

3.3.1 微弱信號的放大電路

當(dāng)被測物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的電信號的幅度很小時，可能無法直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)換精度不高，這時，需要用放大電路（又稱放大器）對這些模擬電信號進(jìn)行放大處理。

為使電路簡單并便于調(diào)試，放大器一般都采用集成運算放大器（簡稱集成運放）構(gòu)成。集成運算放大器總體來說是一種高輸入阻抗、低輸出阻抗、高放大倍數(shù)且便于調(diào)試的優(yōu)質(zhì)放大器。當(dāng)然集成運算放大器的種類很多，性能價格相差也很多，在構(gòu)成放大電路時要適當(dāng)選擇。必要時也可以用三極管、場效應(yīng)管及普通集成運算放大器組合構(gòu)成特殊放大電路，這樣可以起到價廉物美的作用。

1.基本放大器（又稱基本放大電路）

在電子技術(shù)中已學(xué)過用集成運算放大器構(gòu)成的基本放大電路。

例如，用一個通用、價格很低的單運放芯片μ741（相當(dāng)于國產(chǎn)的F007），就可以構(gòu)成一個小信號（mV級）放大電路。

如圖3.19所示顯示了兩種最基本的電路接法。其中圖3.19（a）稱為反相放大器，其輸出信號與輸入信號的關(guān)系為：

輸入信號可以是直流信號或交流信號，其特點是輸出與輸入反相，且不但可以放大信號，需要時也可以按比例使信號縮小（衰減），但輸入電阻比較低，使用時要注意。

圖3.19（b）稱為同相放大器，其輸出信號與輸入信號的關(guān)系為：

這個電路最大的特點是輸出電壓與輸入電壓同相位，且輸入阻抗很高，另外同相放大器的輸出電壓一定大于輸入電壓。

如圖3.20所示是用硅PN結(jié)測溫的實際電路。它由電橋電路及同相放大器構(gòu)成。圖3.20中PN結(jié)為測溫傳感器，在電路中設(shè)置成正向偏置狀態(tài)。在溫度一定時，PN結(jié)兩端電壓固定，當(dāng)環(huán)境溫度變化時（-30℃～+150℃），PN結(jié)上電壓降會隨溫度上升而線性下降ΔU，ΔU的大小與流過PN結(jié)的正向電流有關(guān)。

當(dāng)IPN=50μA時，ΔU≈-2mV/℃，PN結(jié)電壓變化通過電橋輸出給放大器，電橋輸出為mV級信號，所以采用一般精度的集成運放構(gòu)成同相放大器就可以完成放大任務(wù)。

2.儀用放大器

有些傳感器的輸出信號非常小，且在信號中可能還含有工頻、靜電等共模干擾信號，這時可采用差動放大電路，其典型的電路結(jié)構(gòu)如圖3.21所示。它采用三個運放構(gòu)成差動輸入，被測信號直接從兩個運放（A1、A2）的同相輸入端輸入，因此輸入阻抗高，且保證了較強(qiáng)的抑制共模信號的能力，因為在測量儀表中常用，習(xí)慣上將具有這種特點的放大器稱為測量放大器或儀用放大器。

這個儀用放大器的放大倍數(shù)由下式確定：

電路中的RW可用精密電位器構(gòu)成增益調(diào)節(jié)電阻。這種電路，只要運放A1與A2性能對稱（主要輸入阻抗和電壓增益對稱），其漂移將大大減小，即使是用較低檔的集成運放構(gòu)成也可以具有高輸入阻抗和高共模抑制比。儀用放大器對微小的差動電壓很敏感，并適用于測量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號，因而十分適宜于與輸出微小信號的傳感器配合使用。

3.程控增益放大器

在智能儀器中，如果測量的范圍比較寬，為了保證必要的測量精度，需根據(jù)待測量的大小選擇放大器的放大倍數(shù)（增益）。這種選擇可以通過軟件編程來控制，故稱為程控增益放大器或可編程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。

程控增益放大器的基本原理如圖3.22所示。它由運算放大器和用模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，模擬開關(guān)用數(shù)字編碼控制。當(dāng)輸入不同的數(shù)字編碼時，就接通了不同的模擬開關(guān)，選擇了不同的反饋電阻，由反相比例運算公式知，這時放大器有不同的放大倍數(shù)。

圖3.22電路中用一個通用運算放大器、一片8路模擬開關(guān)（MUX）CD4051和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。此電路既可以放大信號，又可以衰減信號。圖3.22中，A、B、C為8路開關(guān)的導(dǎo)通選擇線，當(dāng)ABC=000時，Y0端與COM端接通，此時輸出電壓為：

程控增益放大器的放大倍數(shù)為：

使用時要注意模擬開關(guān)本身也有一定的電阻，約為100Ω以上，如果對放大倍數(shù)精度要求比較高，RF1等可串聯(lián)一個可調(diào)電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。

3.3.2 集成放大器

集成放大電路的種類很多，價格、性能相差很多，且很多常用的放大電路都有集成芯片，在選用時要根據(jù)儀器的精度要求及成本進(jìn)行選擇。

1.高精度集成運算放大器ICL7650

ICL7650高精度、低溫漂運算放大器是美國公司20世紀(jì)80年代投放市場的高性能第四代運算放大器。因為采用CMOS工藝，具有自動檢測放大器的失調(diào)電壓和共模電壓引起的漂移，并自動動態(tài)校零的功能，所以具有很高的性能指標(biāo)。

它采用開關(guān)電容斬波方式使其前置放大的分辨率可以小于10μV。它的輸入失調(diào)電壓極低，在整個工作溫度范圍內(nèi)只有±1μV；失調(diào)電壓溫漂僅0.01μV/℃；共模抑制比達(dá)130dB；單位增益帶寬達(dá)2MHz。

ICL7650有8腳及14腳兩種封裝，8腳的引腳定義如圖3.23所示。其中：

● CEXTA、CEXTB：外接電容補(bǔ)償端，分別接一個0.01μF的電容到接地端U-。

● U+：電源正端。

● U-：接地端。

● -INPUT、+INPUT：信號的輸入端。

● OUTPUT：信號輸出端。

● CLAMP：輸出端，起到保護(hù)作用。

最簡單的電路接法如圖3.24所示，可用于微弱信號的放大。

2.集成儀用放大器INA114/115

集成儀用放大器INA114/115是一個低成本的、內(nèi)部由3個運算放大器構(gòu)成的普通儀用放大器，不需要外接失調(diào)調(diào)整電路就可獲得很高的精度。它可在±2.25V的電源下工作，適合電池供電及+5V單電源供電的系統(tǒng)使用。它的封裝是8腳芯片。其基本接法如圖3.25所示。只要通過調(diào)節(jié)外加電阻RG就可以獲得1～10000范圍內(nèi)的任意增益，其放大倍數(shù)為：

其信號輸入端的內(nèi)部有過壓保護(hù)電路，其保護(hù)范圍可達(dá)±40V，具有很高的共模抑制比（大于115dB），輸入失調(diào)電壓小于50μV，溫度漂移小于0.25μV/℃。INA114可廣泛應(yīng)用于橋式放大電路、熱電偶測量放大電路和數(shù)據(jù)采集放大電路等。

集成儀用放大器的種類很多，如微功耗儀用放大器INA126，低價格、低功耗儀用放大器AD620等。

3.程控儀用放大器PGA202/203

PGA202/203是增益可控的雙端輸入儀用放大器集成芯片。其內(nèi)部由前端邏輯電路、基本差分放大器及高通濾波電路等組成，具有失調(diào)電壓調(diào)整端、濾波輸出端、反饋輸出端和參考輸出端，能夠靈活組成各類放大電路。采用雙列直插14腳封裝，其引腳圖如圖3.26（a）所示，通過在A0、A1端輸入編碼，可以對放大倍數(shù)進(jìn)行控制。表3.2列出了在不同編碼下程控儀用放大器的放大倍數(shù)。

圖3.26（b）為PGA202的基本接法，電路中電源端要與地之間接一個1μF的電容，電容要盡可能放在接近放大器的地方用來解耦。為了防止由外部器件（如導(dǎo)線電阻）引起的誤差，引腳4和引腳11要接地，且連接線要盡可能短一些。

PGA202/203都是場效應(yīng)管輸入（即輸入阻抗極高），并包含跨導(dǎo)電路，在不同的增益時維持幾乎相同的帶寬。由于采用了激光修正技術(shù)，因此其增益失調(diào)無須用外接元件調(diào)整，使用方便。

4.隔離式運算放大器

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，可能存在嚴(yán)重的用電干擾，被測信號中可能疊加了極高的共模電壓，這時要采用隔離式運算放大器。隔離式運算放大器要求做到被測信號與測量儀器不共“地”，以隔斷兩地共模差值電壓的電流流通回路，從根本上消除共模電壓的影響。為了做到完全的“地”隔離，要求放大器所用的電源也是與工業(yè)電源隔離的。常用的隔離方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。

變壓器隔離運算放大器（Transformer Coupled Isolation Amplifier，TCIA）由輸入級、輸出級、電源三部分組成。這里以變壓器隔離放大器集成電路3656為例，其原理框圖如圖3.27所示。3656隔離放大器采用專門的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及微型變壓器技術(shù)，可以提供信號和電源的完全隔離，以滿足各種應(yīng)用的需要。

如圖3.27所示是用3656進(jìn)行最簡單隔離放大信號的電路，用一個內(nèi)置的微型多繞組變壓器實現(xiàn)信號的隔離和電源的隔離。脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生約750kHz的脈沖信號為變壓器提供兩組電壓波形：一組是電源電壓，通過變壓整流分別為輸入級和輸出級隔離供電；另一組為載波，通過放大后的輸入信號調(diào)制。調(diào)制后的信號通過W6、W7耦合到兩個匹配的解調(diào)器中，一個解調(diào)器在輸入端（10腳），它與輸入放大器A1調(diào)制結(jié)合形成負(fù)反饋；另一個解調(diào)器在輸出端（11腳），提供輸出電壓信號。10腳的電壓（對3腳）和11腳的電壓（對17腳）是相同的。輸出端還提供了一個運算放大器A2，如果按圖3.27所接，則A2為15腳輸出電壓，與11腳輸出電壓相等，最終產(chǎn)生一個隔離的電壓輸出信號，即15腳的輸出電壓等于7腳的輸入電壓信號。注意：因為輸入信號與電源的隔離，假設(shè)輸入端與電源的公共端之間有3500V （測試時最高可達(dá)8000V）的共模電壓，這電壓不能作用在輸入級回路上。同樣，假設(shè)電源與輸出級的“地”之間有共模電壓，也能被隔離。

從圖3.27中還可以看到，這種集成電路的輸入/輸出運放端都有外接引腳，因此可以有多種放大器及電源的連接方法，實現(xiàn)各種放大倍數(shù)的隔離放大。