3.3 信号的放大

3.3.1 微弱信号的放大电路

当被测物理量经传感器转换后得到的电信号的幅度很小时，可能无法直接进行A/D转换或转换精度不高，这时，需要用放大电路（又称放大器）对这些模拟电信号进行放大处理。

为使电路简单并便于调试，放大器一般都采用集成运算放大器（简称集成运放）构成。集成运算放大器总体来说是一种高输入阻抗、低输出阻抗、高放大倍数且便于调试的优质放大器。当然集成运算放大器的种类很多，性能价格相差也很多，在构成放大电路时要适当选择。必要时也可以用三极管、场效应管及普通集成运算放大器组合构成特殊放大电路，这样可以起到价廉物美的作用。

1.基本放大器（又称基本放大电路）

在电子技术中已学过用集成运算放大器构成的基本放大电路。

例如，用一个通用、价格很低的单运放芯片μ741（相当于国产的F007），就可以构成一个小信号（mV级）放大电路。

如图3.19所示显示了两种最基本的电路接法。其中图3.19（a）称为反相放大器，其输出信号与输入信号的关系为：

输入信号可以是直流信号或交流信号，其特点是输出与输入反相，且不但可以放大信号，需要时也可以按比例使信号缩小（衰减），但输入电阻比较低，使用时要注意。

图3.19（b）称为同相放大器，其输出信号与输入信号的关系为：

这个电路最大的特点是输出电压与输入电压同相位，且输入阻抗很高，另外同相放大器的输出电压一定大于输入电压。

如图3.20所示是用硅PN结测温的实际电路。它由电桥电路及同相放大器构成。图3.20中PN结为测温传感器，在电路中设置成正向偏置状态。在温度一定时，PN结两端电压固定，当环境温度变化时（-30℃～+150℃），PN结上电压降会随温度上升而线性下降ΔU，ΔU的大小与流过PN结的正向电流有关。

当IPN=50μA时，ΔU≈-2mV/℃，PN结电压变化通过电桥输出给放大器，电桥输出为mV级信号，所以采用一般精度的集成运放构成同相放大器就可以完成放大任务。

2.仪用放大器

有些传感器的输出信号非常小，且在信号中可能还含有工频、静电等共模干扰信号，这时可采用差动放大电路，其典型的电路结构如图3.21所示。它采用三个运放构成差动输入，被测信号直接从两个运放（A1、A2）的同相输入端输入，因此输入阻抗高，且保证了较强的抑制共模信号的能力，因为在测量仪表中常用，习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪用放大器。

这个仪用放大器的放大倍数由下式确定：

电路中的RW可用精密电位器构成增益调节电阻。这种电路，只要运放A1与A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减小，即使是用较低档的集成运放构成也可以具有高输入阻抗和高共模抑制比。仪用放大器对微小的差动电压很敏感，并适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜于与输出微小信号的传感器配合使用。

3.程控增益放大器

在智能仪器中，如果测量的范围比较宽，为了保证必要的测量精度，需根据待测量的大小选择放大器的放大倍数（增益）。这种选择可以通过软件编程来控制，故称为程控增益放大器或可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。

程控增益放大器的基本原理如图3.22所示。它由运算放大器和用模拟开关控制的电阻网络组成，模拟开关用数字编码控制。当输入不同的数字编码时，就接通了不同的模拟开关，选择了不同的反馈电阻，由反相比例运算公式知，这时放大器有不同的放大倍数。

图3.22电路中用一个通用运算放大器、一片8路模拟开关（MUX）CD4051和电阻网络组成。此电路既可以放大信号，又可以衰减信号。图3.22中，A、B、C为8路开关的导通选择线，当ABC=000时，Y0端与COM端接通，此时输出电压为：

程控增益放大器的放大倍数为：

使用时要注意模拟开关本身也有一定的电阻，约为100Ω以上，如果对放大倍数精度要求比较高，RF1等可串联一个可调电阻来调整放大倍数。

3.3.2 集成放大器

集成放大电路的种类很多，价格、性能相差很多，且很多常用的放大电路都有集成芯片，在选用时要根据仪器的精度要求及成本进行选择。

1.高精度集成运算放大器ICL7650

ICL7650高精度、低温漂运算放大器是美国公司20世纪80年代投放市场的高性能第四代运算放大器。因为采用CMOS工艺，具有自动检测放大器的失调电压和共模电压引起的漂移，并自动动态校零的功能，所以具有很高的性能指标。

它采用开关电容斩波方式使其前置放大的分辨率可以小于10μV。它的输入失调电压极低，在整个工作温度范围内只有±1μV；失调电压温漂仅0.01μV/℃；共模抑制比达130dB；单位增益带宽达2MHz。

ICL7650有8脚及14脚两种封装，8脚的引脚定义如图3.23所示。其中：

● CEXTA、CEXTB：外接电容补偿端，分别接一个0.01μF的电容到接地端U-。

● U+：电源正端。

● U-：接地端。

● -INPUT、+INPUT：信号的输入端。

● OUTPUT：信号输出端。

● CLAMP：输出端，起到保护作用。

最简单的电路接法如图3.24所示，可用于微弱信号的放大。

2.集成仪用放大器INA114/115

集成仪用放大器INA114/115是一个低成本的、内部由3个运算放大器构成的普通仪用放大器，不需要外接失调调整电路就可获得很高的精度。它可在±2.25V的电源下工作，适合电池供电及+5V单电源供电的系统使用。它的封装是8脚芯片。其基本接法如图3.25所示。只要通过调节外加电阻RG就可以获得1～10000范围内的任意增益，其放大倍数为：

其信号输入端的内部有过压保护电路，其保护范围可达±40V，具有很高的共模抑制比（大于115dB），输入失调电压小于50μV，温度漂移小于0.25μV/℃。INA114可广泛应用于桥式放大电路、热电偶测量放大电路和数据采集放大电路等。

集成仪用放大器的种类很多，如微功耗仪用放大器INA126，低价格、低功耗仪用放大器AD620等。

3.程控仪用放大器PGA202/203

PGA202/203是增益可控的双端输入仪用放大器集成芯片。其内部由前端逻辑电路、基本差分放大器及高通滤波电路等组成，具有失调电压调整端、滤波输出端、反馈输出端和参考输出端，能够灵活组成各类放大电路。采用双列直插14脚封装，其引脚图如图3.26（a）所示，通过在A0、A1端输入编码，可以对放大倍数进行控制。表3.2列出了在不同编码下程控仪用放大器的放大倍数。

图3.26（b）为PGA202的基本接法，电路中电源端要与地之间接一个1µF的电容，电容要尽可能放在接近放大器的地方用来解耦。为了防止由外部器件（如导线电阻）引起的误差，引脚4和引脚11要接地，且连接线要尽可能短一些。

PGA202/203都是场效应管输入（即输入阻抗极高），并包含跨导电路，在不同的增益时维持几乎相同的带宽。由于采用了激光修正技术，因此其增益失调无须用外接元件调整，使用方便。

4.隔离式运算放大器

在实际工业生产过程中，可能存在严重的用电干扰，被测信号中可能叠加了极高的共模电压，这时要采用隔离式运算放大器。隔离式运算放大器要求做到被测信号与测量仪器不共“地”，以隔断两地共模差值电压的电流流通回路，从根本上消除共模电压的影响。为了做到完全的“地”隔离，要求放大器所用的电源也是与工业电源隔离的。常用的隔离方法有变压器隔离和光电耦合隔离。

变压器隔离运算放大器（Transformer Coupled Isolation Amplifier，TCIA）由输入级、输出级、电源三部分组成。这里以变压器隔离放大器集成电路3656为例，其原理框图如图3.27所示。3656隔离放大器采用专门的调制解调技术及微型变压器技术，可以提供信号和电源的完全隔离，以满足各种应用的需要。

如图3.27所示是用3656进行最简单隔离放大信号的电路，用一个内置的微型多绕组变压器实现信号的隔离和电源的隔离。脉冲产生电路产生约750kHz的脉冲信号为变压器提供两组电压波形：一组是电源电压，通过变压整流分别为输入级和输出级隔离供电；另一组为载波，通过放大后的输入信号调制。调制后的信号通过W6、W7耦合到两个匹配的解调器中，一个解调器在输入端（10脚），它与输入放大器A1调制结合形成负反馈；另一个解调器在输出端（11脚），提供输出电压信号。10脚的电压（对3脚）和11脚的电压（对17脚）是相同的。输出端还提供了一个运算放大器A2，如果按图3.27所接，则A2为15脚输出电压，与11脚输出电压相等，最终产生一个隔离的电压输出信号，即15脚的输出电压等于7脚的输入电压信号。注意：因为输入信号与电源的隔离，假设输入端与电源的公共端之间有3500V （测试时最高可达8000V）的共模电压，这电压不能作用在输入级回路上。同样，假设电源与输出级的“地”之间有共模电压，也能被隔离。

从图3.27中还可以看到，这种集成电路的输入/输出运放端都有外接引脚，因此可以有多种放大器及电源的连接方法，实现各种放大倍数的隔离放大。