7.4 电子信息系统预处理中所用放大电路

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文章介绍了电子信息系统中弱信号放大器的重要性，特别是仪表放大器，其特点是高输入电阻和高共模抑制比。仪表放大器的电路分析和INA102型号的集成仪表放大器作为示例进行了详细说明。此外，电荷放大器用于电容性传感器的信号转换，隔离放大器如变压器耦合和光电耦合式隔离放大器则用于防止干扰。文章还讨论了干扰和噪声的来源及抑制措施，包括滤波、屏蔽和选择低噪声元件等策略。

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在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。

一、仪表放大器

集成仪表放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。

1、仪表放大器的特点

在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言信号源内阻 $R_s$ 是变量，根据电压放大倍数的表达式 $A˙us=RiRs+Ri⋅A˙u\dot A_{us}=\frac{R_i}{R_s+R_i}\cdot\dot A_u$ 可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻 $R_i>>R_s$ ， $R_i$ 愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。
此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力。
综上所述，仪表放大器除了具有足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。

2、基本电路

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集成仪表放大器的具体电路多种多样，但是很多电路都是在图7.4.1所示电路的基础上演变而来。根据运算电路的基本分析方法，在图7.4.1所示电路中， $uA=uI1u_{\scriptscriptstyle A}=u_{\scriptscriptstyle I1}$ ， $uB=uI2u_{\scriptscriptstyle B}=u_{\scriptscriptstyle I2}$ ，因而 $uI1−uI2=R22R1+R2(uO1−uO2)u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2}=\frac{R_2}{2R_1+R_2}(u_{\scriptscriptstyle O1}-u_{\scriptscriptstyle O2})$ 即 $uO1−uO2=(1+2R1R2)(uI1−uI2)u_{\scriptscriptstyle O1}-u_{\scriptscriptstyle O2}=\Big(1+\frac{2R_1}{R_2}\Big)(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})$ 所以输出电压 $uO=−RfR(uO1−uO2)=−RfR(1+2R1R2)(uI1−uI2)(7.4.1)u_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{R_f}{R}(u_{\scriptscriptstyle O1}-u_{\scriptscriptstyle O2})=-\frac{R_f}{R}\Big(1+\frac{2R_1}{R_2}\Big)(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})\kern 13pt(7.4.1)$ 设 $uId=uI1−uI2u_{\scriptscriptstyle Id}=u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2}$ ，则 $uO=−RfR(1+2R1R2)uId(7.4.2)u_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{R_f}{R}\Big(1+\frac{2R_1}{R_2}\Big)u_{\scriptscriptstyle Id}\kern 40pt(7.4.2)$ 当 $uI1=uI2=uIcu_{\scriptscriptstyle I1}=u_{\scriptscriptstyle I2}=u_{\scriptscriptstyle Ic}$ 时，由于 $uA=uB=uIcu_{\scriptscriptstyle A}=u_{\scriptscriptstyle B}=u_{\scriptscriptstyle Ic}$ ， $R_2$ 中电流为零， $uO1=uO2=uIcu_{\scriptscriptstyle O1}=u_{\scriptscriptstyle O2}=u_{\scriptscriptstyle Ic}$ ，输出电压 $uO=0u_{\scriptscriptstyle O}=0$ 。可见，电流放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共模信号时，也将被抑制。

3、集成仪表放大器

图7.4.2所示为型号是 INA102 的集成仪表放大器，图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由 $A_1$ 和 $A_2$ 组成，与图7.4.1所示电路中的 $A_1$ 和 $A_2$ 对应，电阻 $R_1$ 、 $R_2$ 和 $R_3$ 与图7.4.1中的 $R_2$ 对应， $R_4$ 和 $R_5$ 与图7.4.1中的 $R_1$ 对应；第二级电路的电压放大倍数为 1。

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INA102 的电源和输入级失调调整管脚接法如图7.4.3所示，两个 1μF 电容为去耦电容。改变其它管脚的外部接线可以改变第一级电路的增益，分为 1、10、100 和 1000 四种情况，接法如表7.4.1所示。

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INA102 的输入电阻可达 $MΩ10^4\,\textrm MΩ$ ，共模抑制比为 100 dB，输出电阻为 0.1 Ω，小信号带宽为 300 kHz；当电源电压 ±15 V 时，最大共模输入电压为 ±12.5 V。

4、应用举例

图7.4.4所示为采用 PN 结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为 -50 ℃ ~ +150 ℃，分辨率为 0.1 ℃。电路由三部分组成，如图中所标注。 $R_1$ 、 $R_2$ 、 $D$ 和 $RW1R_{\scriptscriptstyle W1}$ 构成测量电桥， $D$ 为温度传感器。电桥的输出信号接到集成仪表放大器 INA102 的输入端进行放大。 $A_2$ 构成的电压跟随器，起隔离作用。电压跟随器驱动电压表，实现数字化显示。

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设测量电桥的灵敏度为 10 mV/℃，则在温度从 -50 ℃ 变化到 +150 ℃ 时，输出电压的变化范围为 2 V，调整 $RW1R_{\scriptscriptstyle W1}$ ，使 0 ℃ 时输出电压为 0，则输出电压变化为从 -0.5 ~ +1.5 V。当 INA102 的电源电压为 ±18 V 时，可将 INA102 的引脚 ②、⑥ 和 ⑦ 连接在一起，设定仪表放大器的电压放大倍数为 10，因而仪表放大器的输出电压范围为 -5 ~ +15 V。根据运算电路的分析方法，可以求出 $A_1$ 和 $A_2$ 输出电压的表达式为 ${uO1=−10(uD−uRW1)(7.4.3a)uO2=−10R5RW2(uD−uRW1)(7.4.3b)\left\{\begin{matrix}u_{\scriptscriptstyle O1}=-10(u_{\scriptscriptstyle D}-u_{\scriptscriptstyle R_{\scriptscriptstyle W1}})\kern 37pt(7.4.3a)\\u_{\scriptscriptstyle O2}=-\displaystyle\frac{10R_5}{R_{\scriptscriptstyle W2}}(u_{\scriptscriptstyle D}-u_{\scriptscriptstyle R_{\scriptscriptstyle W1}})\kern 20pt(7.4.3b)\\\end{matrix}\right.$ 改变 $RW2R_{\scriptscriptstyle W2}$ 滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。

二、电荷放大器

某些传感器属于电容性传感器，如电式加速度传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。

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积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如图7.4.5所示。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势 $u_t$ 与一个输出电容 $C_t$ 串联，如图中虚线框内所示。 $u_t$ 、 $C_t$ 和电容上的电量 $q$ 之间的关系为 $ut=qCt(7.4.4)u_t=\frac{q}{C_t}\kern 80pt(7.4.4)$ 在理想运放条件下，根据 “虚短” 和 “虚断” 的概念， $uP=uN=0u_{\scriptscriptstyle P}=u_{\scriptscriptstyle N}=0$ ，为虚地。将传感器对地的杂散电容 $C$ 短路，消除因 $C$ 而产生的误差。集成运放 $A$ 的输出电压 $uO=−1jωCf1jωCtut=−CtCfutu_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{\displaystyle\frac{1}{j\omega C_f}}{\displaystyle\frac{1}{j\omega C_t}}u_t=-\frac{C_t}{C_f}u_t$ 将式（7.4.4）代入，可得 $uO=−qCf(7.4.5)u_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{q}{C_f}\kern 40pt(7.4.5)$ 为了防止因 $C_f$ 长时间充电导致集成运放饱和，常在 $C_f$ 上并联电阻 $R_f$ ，如图7.4.6所示。并联 $R_f$ 后，为了使 $1ωCf<<Rf\displaystyle\frac{1}{\omega C_f}<<R_f$ ，传感器输出信号频率不能过低， $f$ 应大于 $12πRfCf\displaystyle\frac{1}{2πR_fC_f}$ 。这是因为并联电阻 $R_f$ 后就不再是理想的积分器了， $f$ 远大于时间常数才可保证近似为积分器。

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在实用电路中，为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管；如图7.4.6所示。

三、隔离放大器

在远距离信号传输的过程中，常因强干扰的引入使放大电路的输出有着很强的干扰背景，甚至将有用信号淹没，造成系统无法正常工作。将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器。它既可切断输入侧和输出侧电路间的直接联系，避免干扰混入输出信号，又可使有用信号畅通无阻。
目前集成隔离放大器有变压器耦合式、光电耦合式和电容耦合式三种。

1、变压器耦合式

变压器耦合放大电路不能放大变化缓慢的直流信号和频率很低的交流信号。在隔离放大器中，变压器输入侧将输入电压与一个具有较高固定频率的信号混合（称为调制）；经变压器耦合，在输出侧，再将调制信号还原成原信号（称为解调），然后输出；从而达到传递直流信号和低频信号的目的。可见，变压器耦合隔离放大器通过调制和解调的方法传递信号。调制和解调技术广泛用于无线电广播、电视发送和接收以及其它通讯系统中。
图7.4.7所示为型号是 AD210 的变压器耦合隔离放大器，其引脚及其功能如表7.4.2所示，为了方便阅读，表中引脚号与图7.4.7所示对应。

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图中 $A_1$ 为输入放大电路，可以同相输入，也可以反相输入，分别构成同相比例运算电路或反相比例运算电路，从而设定整个电路的增益，增益数值为 1 ~ 100。 $A_1$ 的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合，然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路还原，最后通过 $A_2$ 构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，将电源电路变换为直流电，为 $A_1$ 和调制电路供电；振荡器的输出通过变压器耦合到输出侧，将电源电路变换为直流电，为 $A_2$ 和解调电路供电；而振荡器则由外部供电。
由此可见，输入侧、输出侧和振荡器的供电电源相互隔离，并各自有公共端。这类隔离放大器称为三端口隔离电路，其额定隔离电压高达 2500 V。此外，还有二端口电路，这类电路的输出侧电源和振荡器电源之间有直流通路，而它们与输入侧电源相互隔离。
在变压器隔离放大器中，变压器的制作，应采用尽量降低匝间电容、使绕组严格对称、在原副边之间加屏蔽等工艺手段来减小外界磁场的影响，增强隔离效果。

2、光电耦合式

图7.4.8所示为型号是 ISO100 的光电耦合放大器，由两个运放 $A_1$ 和 $A_2$ 、两个恒流源 $I_{REF1}$ 和 $I_{REF2}$ 以及一个光电耦合器组成。光电耦合器由一个发光二极管 LED 和两个光电二极管 $D_1$ 、 $D_2$ 组成，起隔离作用，使输入侧和输出侧没有电通路。两侧电路的电源与地也相互独立。

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ISO100 的基本接法如图7.4.9所示， $R$ 和 $R_f$ 为外接电阻，调整它们可以改变增益。若 $D_1$ 和 $D_2$ 所受光照相同，则可以证明 $uO=RfR⋅uI(7.4.6)u_{\scriptscriptstyle O}=\frac{R_f}{R}\cdot u_{\scriptscriptstyle I}\kern 30pt(7.4.6)$ 在这里插入图片描述

四、放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施

在微弱信号放大时，干扰和噪声的影响不容忽视。因此，常用抗干扰能力和信号噪声比作为性能指标来衡量放大电路这方面的能力。

1、干扰的来源及抑制措施

较强的干扰常常来源于高压电网、电焊机、无线电发射装置（如电台、电视台等）以及雷电等，它们所产生的电磁波或尖峰脉冲通过电源线、磁耦合或传输线间的电容进入放大电路。
因此，为了减小干扰对电路的影响，在可能的情况下应远离干扰源，必要时加金属屏蔽罩；并且在电源接入电路之处加滤波环节，通常将一个 10 ~ 30 μF 的钽电容和一个 0.01 ~ 0.1 μF 独石电容并联接在电源接入处；同时，在已知干扰的频率范围的情况下，还可在电路中加一个合适的有源滤波电路。

2、噪声的来源及抑制措施

在电子电路中，因电子无序的热运动而产生的噪声，称为热噪声；因单位时间内通过 PN 结的载流子数目的随机变化而产生的噪声，称为散弹噪声；上述两种噪声的功率频谱均为均匀的。此外，还有一种频谱集中在低频段且与频率成反比的噪声，称为闪烁噪声或 $1/ f$ 噪声。晶体三极管和场效应管中存在上述三种噪声，而电阻中仅存在热噪声和 $1/ f$ 噪声。
若设放大器的输入和输出信号的功率分别为 $P_{si}$ 和 $P_{so}$ ，输入和输出的噪声功率为 $P_{ni}$ 和 $P_{no}$ ，则噪声系数定义为 $Nf(dB)=10lg⁡Nf(7.4.7)N_f=\frac{P_{si}/P_{ni}}{P_{so}/P_{no}}\,或\,N_f(\textrm {dB})=10\lg N_f\kern 25pt(7.4.7)$ 因为 $P=U^2/R$ ，故可将式（7.4.7）改写为 $Nf(dB)=10lg⁡(Usi/Uni)2(Uso/Uno)2=20lg⁡Usi/UniUso/Uno(7.4.8)N_f(\textrm{dB})=10\lg\frac{(U_{si}/U_{ni})^2}{(U_{so}/U_{no})^2}=20\lg\frac{U_{si}/U_{ni}}{U_{so}/U_{no}} \kern 20pt(7.4.8)$ 在放大电路中，为了减小电阻产生的噪声，可选用金属膜电阻，且避免使用大阻值电阻；为了减小放大电路的噪声，可选用低噪声集成运放；当已知信号频率范围时，可加有源滤波电路；此外，在数据采集系统中，可提高放大电路输出量的采样频率，剔除异常数据取平均值的方法，减小噪声影响。