1、1 前置放大器的设计与应用 一、 实验目的 1理解前置放大器的相关概念，理解差模信号与共模信号，了解当前最新的一些前置 放大器 IC 的类别及主要指标和特性，学习前置放大器的设计技巧。 2实际进行差分信号产生、测试；用单运放构成仪表放大器，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常用方法。 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 基础实验部分所需器件 扩
2、展实验部分所需器件 三、 预习要求 1根据提供的附件材料理解与前置放大器相关的一些概念，复习函数信号发生器、数 字示波器等仪器的使用方法。理解文氏电桥振荡电路原理。 2学会阅读 IC 的英文数据手册，理解运放各主要指标特性的含义。 3复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。主要相关概念及公式如下： 差模信号是两个输入电压之差：id=i1-i2 共模信号是两个输入电压的算术平均值：ic=(i1+i2)/2 差模电压增益：AVD=od/id =od/(i1-i2) 共模电压增益：AVc=oc/ ic =2*oc/(i1+i2) 根据线性放大
3、电路叠加原理求出总的输出电压：o= AVD id+ AVcic 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 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 5.1K 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
4、100K 1 4 电位器 10K 2 5 瓷片电容 0.1uF 2 6 电解电容 10uF 2 7 小喇叭 1 2 四、实验原理 通过传感器输入的信号，一般信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级) ，且常常伴随有较大 的噪声。对于这样的信号，第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。这个放大的最 主要目的不是增益，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优 劣直接影响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。它主要由两级差分放大器电路
5、构成。其中， 运放 A1、A2 为同相差分输入方式，同相输入可以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；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起 跟随作用，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)得到提 高。这样在以运放 A3 为核心部件组成的差分放大电路中，在 CMRR 要求不变情况下，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)
6、。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变 Rg 阻值实 现。 运放作为模拟电路的主要器件之一，能处理双极性或单极性信号：双极性就是信号在 变化的过程中要经过“零”点，单极性不过“零”点，只在一边变化。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可以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，可以有较大的动态范围；单电源供电的运放，可以节约一路电源。单电源供 电的运放的输出是不能达到 0V 的，对接近 0V 的信号放大时误差很大，且容易引入干扰； 而双电源供电的稳定性比单电源的要好。单电源供电对运
7、放的指标要求要高一些，般需要 用轨对轨(R-R)，运放的价格一般会贵点。单电源用 V+，GND，一般还需生成一个与 GND 不同的模拟地 AGND，因此放大电路的构成形式上有所不同，往往用单电源的电路较用双 电源的要稍复杂一些，以达到同样的目的。随着器件水平的提高，有越来越多的用单电源 供电代替双电源供电的应用，这是一个趋势。 差分信号就是幅度相同、相位相差 180的两信号。运放处理的是这对信号的差值， 它们的共模信号则被抑制掉。这信号的共模电压可以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
8、直流电平，用来去除正端信号中的直流成分。伪差分信 号与差分信号在减小地环流和噪声方面是非常相似的，不同的是差分输入模式下，负端输 入是随时间变化的，而在伪差分模式下，负端输入是一个不变的直流参考。差分信号的主 要好处是：能够很容易地识别小信号；一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一 3 端，而有用的只是差值信号，因此对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的；在一个单电源 系统，能够比较好的精确地处理双极性信号。 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构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
9、号采用单端输入、双端输入的形式。 1理解差模信号与共模信号的概念，如下图 2(a)为一个电桥，通过改变 RW1 或 RW2 可以使 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 理解差分信号、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，使用双通道示波器的两个探头 同时测量 A、B 点对地波形，再使用一个探头测量 AB 两点间的波形，记录波形并描述特 点（
10、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分立运放构成典型仪表放大器电路的测试，理解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；理解单端输入、双端输入与差分输入方式进行放大电路 设计（利用三个常用的运放 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（调节 RW2）及输出信号电压（OUT 端对地电压） 。此种方式可用于作
11、一般 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 4 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，此时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 ic (mv) 输出电压 oc (mv) 共模增益 AVc=oc/ic 1 2 3 （3）差模信号双端输入： 如图 5
12、 所示，将两输入端分别接到 A、B 两点，调节 RW1 或 RW2 会导致电桥不 5 平衡，在 A、B 两点得到一个差模信号，对仪表放大器而言还有共模输入信号。调节 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 i1 RW2 两端 电压 i2 差模输入 电压 id=i1-i2 输出电压 od 差模增益 AVD=od/id 1 2 3 （4）根据表 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
13、、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。理解单电源供电、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 6 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-
14、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）调节 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）调节 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。电路图如下图 6 所示，在 AD623 的 输入端 2、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。 调节
15、RW1 及 RW2，记录波形如何变化。另外可在 OUT 端及 AGND 端接上喇叭，可以听 声音效果。 图 7 专用 仪表放大器 AD623 作语音前置放大电路 3对于电容式话筒，比如驻极体话筒，利用 AD623 设计一个语音前置放大电路。 七、思考题 1总结实验过程中的调试过程。 2前置放大器应用总结、分析： 3主要分析如下内容：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法等。 4总结实验的收获、体会及遇到的问题。 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，注意正负电源一定要共地线。 2选择 5KHz 不失真波形
16、送到 AD623 进行放大。 3分立运放构成典型仪表放大器电路中元器件较多，特别要注意各处电阻不要连错。 要学会多用万用表检测各点的电压来判断故障所在。 4示波器测量 AD623 的输出时是相对 AGND 进行。 7 前置放大器设计与应用实验补充资料 一、有关概念： 1、共模信号与差模信号： 当两个输入端的输入电压分别为 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：V id=(Vi1-Vi2) 共模信号：V ic=(Vi1+Vi2)/2 根据以上定义，可以写成 Vi1= Vic + Vid /2 和 Vi2= Vic - Vid /2 可
17、以看出，两个输入端的信号均可以分解为共模信号与差模信号两部分。 实际应用中，分析直流信号时一般称为差模信号，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差异。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对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。 区别于一般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就是全差 分信号，也就是常说的差分信号。该信号跟地不
18、发生直接关系，也就是说，差分信号的传 输， “地”是可以浮动的，两根差分线跟 “地”之间的阻抗可以是高阻。差分信号能够抑制共模 噪声，所以可以得到更高的信噪比。 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可以看作是一种特殊的伪差分信号（参考端为地） 。差分输入 模式下，负端输入是随时间变化的，而在伪差分模式下，负端输入一定仅仅是一个参考。 差分信号有如下主要特点： 抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、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影响。 能有效抑制电磁干扰（EMI） 。由于两根线靠得很近且信号幅值相
19、等，这两根线与 地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。 因此对外界的电磁干扰也小。 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，测量信号的精确值 依赖系统内“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 差异的可能性就越大，小信号有可能就被湮没。差分信号是自己控制“基准”电压，与地 的精确值无关，所以在某一范围内很容易识别小信号。 在一个单电源系统中，能够从容精确地处理“双极性”信号。为了处理单端、单电 8 源系统的双极性信号，我们必须在地和电源之间某任意电压处(通常是中点) 建立一个虚地。 用高于虚地的电压来表示正极性
20、信号，低于虚地的电压来表示负极性信号。接下来，必须 把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，而无须依赖虚 地的稳定性。 时序定位准确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点， 作为判断逻辑 0/1 跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑 0/1 的跳变点，受 阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。 3、双极性与单极性： 双极性就是信号在变化的过程中要经过“零”（或地） ，单极性不过”零”,只在“零”点的 一边变化。 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，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡 量，其定义为
21、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 Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写 CMRR 来表示。 5、差模输入阻抗： 运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。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。一般产品也仅仅给出输入 电阻。采用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 运放的输入电阻一般大于 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） ，共模输入电压的变化量与 对应的输入电
22、流变化量之比。在低频情况下，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变化量与对应的电流变化量的比值。在低 频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环测试。 8、轨到轨概念： 从输入来说, 其共模输入电压范围（信号对地电压输入叫共模）可以从负电源到正电 源电压；从输出来看, 其输出电压范围可以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使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常 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
23、，即使输入、输出信号的 幅值低到接近 0V，或高至接近 5V，信号也不会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： 9 即 SNR（Signal to Noise Ratio） ，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，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说， 信噪比越高，说明混在信号里的噪声越小，否则相反。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主要器件之一，在供电方式上有单电源和双电源两种，双电源供 电的运放
24、的输入可以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，可以有较大的 动态范围；单电源供电的运放，可以节约一路电源。 单电源供电的运放的输出是不能达到 0V 的，而双电源供电的稳定性比单电源的要好。 单电源运放对接近 0V 的信号放大时误差很大，且容易引入干扰。单电源供电对运放的指 标要求要高一些，一般需要用轨对轨(R-R) ，运放的价格一般会贵点。随着器件水平的提高， 有越来越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，即使将输入端短路，在输出端也会
25、有变化缓慢的输出电压。 这种输入电压为零而输出电压偏离原来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 0.707）所对应的信号频率。这个指标主要用于小信号 处理中运放的选型。 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
26、增益下降 3dB（或是相当于运放输入信号的 0.707）所对应的信号频 率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对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，就是当知道要处理的信号频率和信号 需要的增益以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这个指标主要用于小 信号处理中运放选型。 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（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转 换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2Vop（Vop 是运放的峰值输出幅
27、度） 。全 10 功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。 16、转换速率（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率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运 放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一 个很重要的指标，对于一般运放转换速率 SR10V/s。 目前的高速运放最高转换速率 SR 达到 6000V/s。这用于大信号处理中运放选型。 17、建立时间： 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
28、输出由 0 增加到某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入，输出 信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建 立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。建立时 间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。同时作为 A/D 转换前端信号调理时 也直接影响整个数字信号输出的延迟时间。 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则的干扰电压。这个 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） 。 对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约 1020
29、V。 19、偏置电流: 运放是集成在一个芯片上的晶体管放大器, 偏置电流就是第一级放大器输入晶体管的 基极直流电流，这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。所以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，所以一般运算电路的输入电阻和反馈电阻就可 以提供这个电流了。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可以过大， 否则不能提供足够的偏置电流，使放大器不能稳定的工作在线性范围。 二、前置放大器设计技艺：
30、设计工程师设计放大器时，主要关心的是供电方式、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 )以及输入偏置电流等指标，因而器件选型和电路设计都要围绕这些指标进行。 1、在使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。 11 2、为了保证仪表放大器的安全，需要在输入信号时加入保护电路，简单的一般使用二 极管来箝位输入的共模和差分信号，并可以加限流电路来保护电路。 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、仪表放大器一般在仪表、医疗、传感器信号调理等方面应用
31、广泛，也可以用在需要 对大噪声和干扰下的高阻抗的微弱信号的检测上。 5、对许多应用来说，要从噪声环境或直流偏移电压背景中提取出微弱的信号， CMRR 特性非常重要。运算放大器和仪表放大器都具有一定的共模抑制特性。但是仪表放 大器能阻止共模信号出现在放大器的输出端。而运算放大器虽然也有 CMR，但共模电压通 常还是会以一定的增益随着信号传送到输出端。 6、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。仪表放大器一般还有 一个基准输入端，以便让使用者可以对输出电压进行上或下的电平移位。使用者可以用一 个或多个的内部或外部电阻来设定增益。 7、对于小信号，单位增益带宽经常作为运放选型的重要指标，运算放大器闭环工作时， 频率响应主要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则不能用 以上带宽衡量。对于大信号，压摆率是衡量放大器转换速率的重要指标。 8、如果设计要求一定要用大数值的反馈电阻和输入电阻，可以考虑用 J-FET 输入的 运放， 因为 J-FET 是电压控制器件, 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。同样是电压控制的还有 MOSFET 器件, 可以提供更小的输入漏电 流。 长江大学电子信息学院 孙先松 12 2011 年 4 月 18 日星期一
