第八章 检测电路
?同相比例放大器
?反相比例放大器
?电流电压变换放大器
?差动放大器
?自举型高输入阻抗放大器
?斩波稳零放大器
?仪用放大器
?隔离放大电路
同相比例放大
Au=1十 Ri／ R2
R1
-
+
A
+
-
US
RS
R2
UF U0
输入阻抗
增益
ri+= ri (1十 AF)
ri——运放的开环输入阻抗
A——运放的开环增益
F——电路的反馈系数
uARR
RF /1
21
2 ?
??
例：某放大器 ri＝ 104Ω开环增益为 104, F ＝ 0.1（闭环
增益为 10），则放大器的闭环输入阻抗为 107Ω。
反相比例放大
Au=–Rf/R1
USS
+
-
U0-
+
A
R1
R2
Rf
限制
带宽增益
特点,
性能稳定，但输入阻抗较低
注意,
在实际电路中，由于电阻
的最大值不能超过 10MΩ，
R如果要提高反相放大器的
输入阻抗，电路的增益要
受到限制。
电流电压变换放大
U0=―Rf·is
U0-
+R1
R2
Rfi
1
io
A
IS
增益
放大电路的精度
取决于 Rf的稳定性
差动放大
U0-
+
A
R1
R1
R2
R2
UC
US/2
US/2
U－
U+
U1
U2
+
+
++
-
- -
-
SUR
RUU
R
RU
2
1
12
2
1
0 ??? ）（
扩大输入共
模电压范围
增益
特点,
提高电路共模抑制比，减小温度漂移。
自举型高输入阻抗放大器
I1
R
2R1
Ui
A1
U0A2
Rp
R1
Rp
R2
R2
I
Ii
U01
1
1
RR
RR
I
UR
i
i
i ???
-
+
+
-
1
R
UU
R
UI oii
i
1
1
???
oo UR
RU
2
11 2??
io UR
RU
1
2??
iio UUR
R
R
RU 2))(2(
1
2
2
1
1 ????
i
iii
i URR
RR
R
UU
R
UI
1
1
1
2 ?????
斩波稳零放大器
1.闭环状态斩波稳零放大器
Ф1
Ф2
0
0
T1
T1
T2
T2
A1
OSC
+
－
+
_
A2+_
Ui
C1
S1 S
3
S2
Ф1 Ф2
①
②
②
①
A3
_
+
Uo
C2
②
①
图中开关 S2和电容 C1以及 S3,C2,A3分别构成两个采样 —保持
电路。第一个采样 —保持电路用来 对放大器 Al进行动态校零 ；
第二个采样 —保持电路用来 维持输出电压的连续性 。
内部时钟 CP由振荡器 (OSC)提供，若在时钟。 0~T1时间内，开
关 S1,S2,S3，停在①端位置，即 S2接通,S1,S3断开，相应电
路状态如下图。
电路的工作分两个阶段，由
时钟控制开关完成。
第一阶段为误差检测与寄存
第二阶段为动态校零和放大
放大器工作状态之一
A2+_
A1+_
UOS1
UC1
UOS2
UO1
C1
+
_
UC2
UO
A3
_
+
C2+_
在此时间内 vcoso AUUU 1111 )( ??
vosc AUUU 20121 )( ??
2
21
2
1
21
21
1 11 os
vv
v
os
vv
vv
c UAA
AU
AA
AAU
???
??
11 211 osvososc UAUUU ???
1
1
2
11 os
v
os
osc UA
UUU ???
电容 Cl记存了 Al的失调电压 Uos1，此段时间是放大器误差检测和
寄存阶段。
由于此时 A3与 A1之间被切断 (S3断开 )，所以 A3的输出电压 UO为
U0=Uc2
C2上记有的电压 Uc2，是前一时
刻放大器 A1的输出电压。
在时钟 T1～ T2时间内，开关 S1、
S2,S3停留在②端位置上，即 S1,S3
接通,S2断开，相应的电路状态如图 放大器工作状态之二
A1
+
_ A3
_
+
Ui
－
+
－
+
++
_
_Uos1
Uc1 Uc2
Uo1
C1 C2
U0
这时,Al同相端与输入信号 Ui接通，由于 A1的反相端还保存着前
一时刻的失调电压 Uc1＝ Uos1，所以这时 A1的输出电压 Uol为
ivososivcosivo UAUUUAUUUAU 11111111 )()( ???????
上式表明,A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输
入信号电压有关。因此，此段工作时间称为, 动态校零和放大
输入信号, 的工作阶段。这时总输出电压 Uo为
ivcoo UAUUU 121 ???
当时钟控制开关再回到①端位置时,Uc2保持不变，放大器
A3(接成跟随器工作 )继续以 A1vUi的幅值向外输出，保证了输出
电压的连续性。
开关的反复通断,Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工
作原理。
开关 S1,S2,S3一般用 MOSFET完成。
2.开环状态斩波稳零放大器 (失调误差逐级存储放大器 )
开环状态斩波稳零放大器原理图
+
_
A2+
_
A1U
i
Uos U
o1
Uc
U01’
S1
S2
C
U0
当开关 S1,S2都接地，即开
关处于图示位置时，放大器
输入端对地短路，输出失调
电压 Uoff使电容器 C两端充
电至 Uc=Uoff。 Uoff为 Uoff=A1dUos
电容 C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器 C又
称为 记忆电容器 。 A1d为 A1放大器的开环电压增益。
当开关 S2断开,S1接通输入信号 Ui时，放大器输出电压 U0为
)( 11 osdido UAUAU ???
输出到下一级的电压
'oU
ido ffosdidcoo UAUUAUAUUU 111' ????????
可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路
的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达
到稳零的目的。
由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调
电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于 100
倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐
级采样存储 MOS集成运放，如图。
Uo
Ui +
_A
1
+
_A
2
+
_ A
3
S1
S2 S
3 S4
C1 C2 C
n
电路工作的两个阶段由时钟控制 MOSFET开关完成。
以上分析建立在下一级 Ri无穷大,Ci为零的理想条件下。如果
不满足条件，则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起
的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟
控制脉冲经分布电容耦合到 MOS管栅极，也将引入失调电压。
实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小 两个数量级,
且温度稳定性很好。
在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器，可进
一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模 MOS模拟集成电路
之中，如用作 A／ D(模／数 )转换器或比较器。
仪用放大器
测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成
第一级，第二级为差动放大器 ——减法器
-
+
A3
-
+A
1
-
+
A2
R4
R6 R7
R5
R2
R1
RG
V1
V2
V4
V5
V3
V6
V0IG
GG
G R
VV
R
VVI 2154 ????
2
21
1143 RR
VVVRIVV
G
G
?????
2
21
2256 RR
VVVRIVV
G
G
?????
G
f R
RR
VV
VVA 21
21
63
1 1
???
?
??
4
5
3
4
5
76
7
60 1 R
RV
R
R
RR
RVV ??
?
??
?
?
???
?
???
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??
)(21)( 21
4
5136
4
50 VV
R
R
R
RVV
R
RV
G
????????? ?????
4
5
36
02 RRVV VA f ???
4
51
21
0 21 RRRRVV VA
G
f ???
???
?
? ???
?? ?
?
?
?
???
? ???
G
f R
RA 121
失调参数的影响
+
-
A3
-
+
A2
+
-
A1
R1
⊿ V2
⊿ V1
RG R2=R1
R4
R4 R5
R5
⊿ V0⊿ V
3
假设由三运放失调电压 VOS及失调电流 IOS所引起的误差
电压折算到各运放输入端的值分别为 ΔV1,ΔV2和 ΔV3,误
差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压
为：
)1()()21(
4
5321
4
510 RRVVVRRR RV
G
?????????
若 R4=R5
32110 2))(
21( VVV
R
RV
G
????????
图示极性的 ΔV1和 ΔV2所引起的输入误差是相互抵消的。
若运放 A1和 A2的参数匹配，则失调误差大为减小。 ΔV3
折算到放大器输入端的值为 2ΔV3/Af1，所以等效失调参
数很小，即对运放 A3的失调参数要求可降低些。
A1
Vo
R11
R1
A3
R8
Vi2
R7
R6
Vi1
R9
R10
A2R2
R3
R4
R5
RW
氖泡NL2
22k?
NL1
22k?
氖泡 10k?10k?
2k?
22k?
22k?
22k? 22k? 2k?
9k?10k?
图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术
过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微
型的氖灯 NL1,NL1，作为 电压限幅器 。微型的氖灯价廉且具有对
称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它
对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压 (一般为
60V)，则氖灯迅速导通 (击穿后，氖灯本身呈负阻特性 )，使其两端
的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器 RW用于
调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输
入端加载一个 1V左右的信号 (一般为 50Hz)，调整电位器 RW使电路
的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。
如果电路中有需要调整的参数，
通常是电阻阻值（有时也需要调
整电容值），把要调整的参数分
成两部分：固定部分和可调整部
分。在一般的要求时，固定部分
的取值为该参数总的标称值的 90%，
可变部分为 20%。在要求比较高时，
固定部分的取值为该参数总的标
称值的 99%，可变部分为 2%。
隔离放大电路
指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是
利用光或磁来耦合信号。
iF iO
iF iO
( )
iF iO
c
e
iF iO
e
c
( )
硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输
增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小
电流与大电流增益严重不一致，传输线性较差；达
林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，
但传输线性最差。一般使用 硅光敏三极管或达林顿
型光电耦合器 作模拟信号传输时，应合理地选择工
作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。
在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏
二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增
益低的缺点。
注意：光电隔离放大器的前、
后级之间不能有任何电的连
接。即使是, 地线, 也不能
连接在一起，前、后级也不
能共用电源，否则就失去了
隔离的意义。一般前级放大
器可以采用电池供电，或采
用 DC/DC变换器供电。
VCC
Vi
A2
RW1
R1
OE1
VCC
VO
ECC
ECC
RW2
RW3 RW4
R2
R3
OE2
A2
VCC
VCC
A1Vi
R2
R1
A2
R3
T
OE VO
E
网上作业提交：不少于 1000字
1、叙述传感器的地位和作用
2、设计一种传感器应用实例
3、查找并写出教材以外的一种传感器
的工作原理、应用实例
提交至,SENSOR.JLU.EDU.CN—— 网
络课程 —— 作业提交
任选一题、独立完成
The End
?同相比例放大器
?反相比例放大器
?电流电压变换放大器
?差动放大器
?自举型高输入阻抗放大器
?斩波稳零放大器
?仪用放大器
?隔离放大电路
同相比例放大
Au=1十 Ri／ R2
R1
-
+
A
+
-
US
RS
R2
UF U0
输入阻抗
增益
ri+= ri (1十 AF)
ri——运放的开环输入阻抗
A——运放的开环增益
F——电路的反馈系数
uARR
RF /1
21
2 ?
??
例：某放大器 ri＝ 104Ω开环增益为 104, F ＝ 0.1（闭环
增益为 10），则放大器的闭环输入阻抗为 107Ω。
反相比例放大
Au=–Rf/R1
USS
+
-
U0-
+
A
R1
R2
Rf
限制
带宽增益
特点,
性能稳定，但输入阻抗较低
注意,
在实际电路中，由于电阻
的最大值不能超过 10MΩ，
R如果要提高反相放大器的
输入阻抗，电路的增益要
受到限制。
电流电压变换放大
U0=―Rf·is
U0-
+R1
R2
Rfi
1
io
A
IS
增益
放大电路的精度
取决于 Rf的稳定性
差动放大
U0-
+
A
R1
R1
R2
R2
UC
US/2
US/2
U－
U+
U1
U2
+
+
++
-
- -
-
SUR
RUU
R
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2
1
12
2
1
0 ??? ）（
扩大输入共
模电压范围
增益
特点,
提高电路共模抑制比，减小温度漂移。
自举型高输入阻抗放大器
I1
R
2R1
Ui
A1
U0A2
Rp
R1
Rp
R2
R2
I
Ii
U01
1
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RR
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斩波稳零放大器
1.闭环状态斩波稳零放大器
Ф1
Ф2
0
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T1
T1
T2
T2
A1
OSC
+
－
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_
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Ui
C1
S1 S
3
S2
Ф1 Ф2
①
②
②
①
A3
_
+
Uo
C2
②
①
图中开关 S2和电容 C1以及 S3,C2,A3分别构成两个采样 —保持
电路。第一个采样 —保持电路用来 对放大器 Al进行动态校零 ；
第二个采样 —保持电路用来 维持输出电压的连续性 。
内部时钟 CP由振荡器 (OSC)提供，若在时钟。 0~T1时间内，开
关 S1,S2,S3，停在①端位置，即 S2接通,S1,S3断开，相应电
路状态如下图。
电路的工作分两个阶段，由
时钟控制开关完成。
第一阶段为误差检测与寄存
第二阶段为动态校零和放大
放大器工作状态之一
A2+_
A1+_
UOS1
UC1
UOS2
UO1
C1
+
_
UC2
UO
A3
_
+
C2+_
在此时间内 vcoso AUUU 1111 )( ??
vosc AUUU 20121 )( ??
2
21
2
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电容 Cl记存了 Al的失调电压 Uos1，此段时间是放大器误差检测和
寄存阶段。
由于此时 A3与 A1之间被切断 (S3断开 )，所以 A3的输出电压 UO为
U0=Uc2
C2上记有的电压 Uc2，是前一时
刻放大器 A1的输出电压。
在时钟 T1～ T2时间内，开关 S1、
S2,S3停留在②端位置上，即 S1,S3
接通,S2断开，相应的电路状态如图 放大器工作状态之二
A1
+
_ A3
_
+
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－
+
－
+
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Uc1 Uc2
Uo1
C1 C2
U0
这时,Al同相端与输入信号 Ui接通，由于 A1的反相端还保存着前
一时刻的失调电压 Uc1＝ Uos1，所以这时 A1的输出电压 Uol为
ivososivcosivo UAUUUAUUUAU 11111111 )()( ???????
上式表明,A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输
入信号电压有关。因此，此段工作时间称为, 动态校零和放大
输入信号, 的工作阶段。这时总输出电压 Uo为
ivcoo UAUUU 121 ???
当时钟控制开关再回到①端位置时,Uc2保持不变，放大器
A3(接成跟随器工作 )继续以 A1vUi的幅值向外输出，保证了输出
电压的连续性。
开关的反复通断,Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工
作原理。
开关 S1,S2,S3一般用 MOSFET完成。
2.开环状态斩波稳零放大器 (失调误差逐级存储放大器 )
开环状态斩波稳零放大器原理图
+
_
A2+
_
A1U
i
Uos U
o1
Uc
U01’
S1
S2
C
U0
当开关 S1,S2都接地，即开
关处于图示位置时，放大器
输入端对地短路，输出失调
电压 Uoff使电容器 C两端充
电至 Uc=Uoff。 Uoff为 Uoff=A1dUos
电容 C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器 C又
称为 记忆电容器 。 A1d为 A1放大器的开环电压增益。
当开关 S2断开,S1接通输入信号 Ui时，放大器输出电压 U0为
)( 11 osdido UAUAU ???
输出到下一级的电压
'oU
ido ffosdidcoo UAUUAUAUUU 111' ????????
可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路
的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达
到稳零的目的。
由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调
电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于 100
倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐
级采样存储 MOS集成运放，如图。
Uo
Ui +
_A
1
+
_A
2
+
_ A
3
S1
S2 S
3 S4
C1 C2 C
n
电路工作的两个阶段由时钟控制 MOSFET开关完成。
以上分析建立在下一级 Ri无穷大,Ci为零的理想条件下。如果
不满足条件，则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起
的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟
控制脉冲经分布电容耦合到 MOS管栅极，也将引入失调电压。
实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小 两个数量级,
且温度稳定性很好。
在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器，可进
一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模 MOS模拟集成电路
之中，如用作 A／ D(模／数 )转换器或比较器。
仪用放大器
测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成
第一级，第二级为差动放大器 ——减法器
-
+
A3
-
+A
1
-
+
A2
R4
R6 R7
R5
R2
R1
RG
V1
V2
V4
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V0IG
GG
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VVI 2154 ????
2
21
1143 RR
VVVRIVV
G
G
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2
21
2256 RR
VVVRIVV
G
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G
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21
63
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4
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)(21)( 21
4
5136
4
50 VV
R
R
R
RVV
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4
5
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02 RRVV VA f ???
4
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G
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RA 121
失调参数的影响
+
-
A3
-
+
A2
+
-
A1
R1
⊿ V2
⊿ V1
RG R2=R1
R4
R4 R5
R5
⊿ V0⊿ V
3
假设由三运放失调电压 VOS及失调电流 IOS所引起的误差
电压折算到各运放输入端的值分别为 ΔV1,ΔV2和 ΔV3,误
差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压
为：
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4
5321
4
510 RRVVVRRR RV
G
?????????
若 R4=R5
32110 2))(
21( VVV
R
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G
????????
图示极性的 ΔV1和 ΔV2所引起的输入误差是相互抵消的。
若运放 A1和 A2的参数匹配，则失调误差大为减小。 ΔV3
折算到放大器输入端的值为 2ΔV3/Af1，所以等效失调参
数很小，即对运放 A3的失调参数要求可降低些。
A1
Vo
R11
R1
A3
R8
Vi2
R7
R6
Vi1
R9
R10
A2R2
R3
R4
R5
RW
氖泡NL2
22k?
NL1
22k?
氖泡 10k?10k?
2k?
22k?
22k?
22k? 22k? 2k?
9k?10k?
图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术
过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微
型的氖灯 NL1,NL1，作为 电压限幅器 。微型的氖灯价廉且具有对
称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它
对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压 (一般为
60V)，则氖灯迅速导通 (击穿后，氖灯本身呈负阻特性 )，使其两端
的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器 RW用于
调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输
入端加载一个 1V左右的信号 (一般为 50Hz)，调整电位器 RW使电路
的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。
如果电路中有需要调整的参数，
通常是电阻阻值（有时也需要调
整电容值），把要调整的参数分
成两部分：固定部分和可调整部
分。在一般的要求时，固定部分
的取值为该参数总的标称值的 90%，
可变部分为 20%。在要求比较高时，
固定部分的取值为该参数总的标
称值的 99%，可变部分为 2%。
隔离放大电路
指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是
利用光或磁来耦合信号。
iF iO
iF iO
( )
iF iO
c
e
iF iO
e
c
( )
硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输
增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小
电流与大电流增益严重不一致，传输线性较差；达
林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，
但传输线性最差。一般使用 硅光敏三极管或达林顿
型光电耦合器 作模拟信号传输时，应合理地选择工
作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。
在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏
二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增
益低的缺点。
注意：光电隔离放大器的前、
后级之间不能有任何电的连
接。即使是, 地线, 也不能
连接在一起，前、后级也不
能共用电源，否则就失去了
隔离的意义。一般前级放大
器可以采用电池供电，或采
用 DC/DC变换器供电。
VCC
Vi
A2
RW1
R1
OE1
VCC
VO
ECC
ECC
RW2
RW3 RW4
R2
R3
OE2
A2
VCC
VCC
A1Vi
R2
R1
A2
R3
T
OE VO
E
网上作业提交：不少于 1000字
1、叙述传感器的地位和作用
2、设计一种传感器应用实例
3、查找并写出教材以外的一种传感器
的工作原理、应用实例
提交至,SENSOR.JLU.EDU.CN—— 网
络课程 —— 作业提交
任选一题、独立完成
The End
