基本仪表放大器+基本电容耦合隔离放大器+OTA（基本OTA电路+OTA增益）

news2024/12/27 20:15:53

2024-9-18，星期三，21:37，天气：多云，心情：晴。大家中秋节都过的怎么样啊，如果没过爽也没有关系，因为再上八天班就能迎来10.1长假啦！！！！！！

今天完成了第十二章特殊用途放大器的学习，主要学习内容为：基本仪表放大器+基本电容耦合隔离放大器+OTA（基本OTA电路+OTA增益）。

一、特殊用途放大器

1. 仪表放大器

仪表放大器是一个由差分电压放大器组成的器件，可以放大两个输入端之间的电压差。仪表放大器的主要目的是放大共模电压上的小信号，其关键特性是高输入电阻，高共模抑制比，低输出失调和低输出阻抗。仪表放大器由三个运算放大器和电阻组成，电压增益由外部电阻设置。

（1）基本仪表放大器：测量系统中共有两个最常见的问题，一个是来自传感器或电源线的不期望的噪声污染，理想情况下，应该放大差分信号，抑制共模信号(噪声)；测量系统的第二个问题是传感器具有高输出阻抗，连接到放大器时很容易无法承受负载，用于放大传感器小信号的放大器要有非常高的输入阻抗来避免这种负载效应。

这些测量问题的解决方法就是使用仪表放大器(IA)，其具有超高的输入电阻、高共模抑制比(CMRR)以及获取高稳定增益能力的差分放大器。仪表放大器在高共模噪声出现时可以如实地放大低电平信号，用于个中信号处理中。

下图给出了三个运算放大器构成的基本IA，运算放大器A1和A2是电压跟随器，每个电压跟随器都包含反馈电阻，A3是一个差分放大器，用于放大Vout1和Vout2之间的差，虽然该电路有高输入阻抗的优点，但它需要非常高精度的增益电阻以获得高CMRR，而且如果要改变增益，就需要改变两个电阻，并且它们在工作范围内需要以很高的精度匹配。

解决上述问题的方法是使A1A2可以提供电压增益，而不是仅作电压跟随器使用，如下图所示，如下图所示，除RG外，整个电路都封装在一个IC中，在制造IC时，使用特殊方法可以保证R3、R4、R5和R6的匹配，使用时，仅需控制电阻RG就能控制总的差分电压，Vout = (1 + (2R / RG))(Vin2 - Vin1)，闭环增益为Acl = 1 + (2R / RG)，式中R1 = R2 = R，根据需要的闭环增益调整RG的阻值即可。

2. 隔离放大器

（1）基本电容耦合隔离放大器：隔离放大器是一个由两个隔离电路构成的器件，输入电路部分和输出电路部分被一隔离屏障彼此隔离开，为了让信号能穿过隔离屏障，就必须对电路作一些处理，一些电路使用光耦合或变压器耦合来进行隔离，但是，现在许多电路都会使用电容耦合进行隔离，每部分电路有各自的电源电压和地，使其之间没有公共的通路，典型隔离放大器的示意图如下所示：

输入部分由运算放大器、振荡器和调制器构成(调制是允许包含信息的信号修改另一个信号特征的过程，使得第一个信号的信息包含在第二个信号中)，如下例中，调制器使用高频方波振荡器修改原始信号，隔离屏障中用小电容器耦合低频调制信号或从输入到输出的直流电压，没有调制时，为了不降低级间的隔离，必须禁止使用大电容器。

输出部分含有解调器，可以从调制信号中提取原始输入信号，使得来自输入级电路的原始信号还原为原始形式：

3. OTA

上面学习的常规放大器主要是电压放大器，这些放大器中输出电压等于增益乘以输入电压OTA(Operational Transconductance Amplifier，跨导放大器)，主要是电压转电流放大器，其中，输出电流等于增益乘以输入电压。下图给出了OTA的符号，输出端的双圆圈符号表示一个基于偏置电流的输出电流源，与传统运算放大器不同的是，OTA具有偏置电流输入端，高输出阻抗和无固定开环电压增益。

（1）OTA的增益：跨导是输出电流和输入电压之比，对于一个OTA，电压是输入变量，电流是输出变量，因此OTA的电压-电流增益是跨导gm = Iout / Vin。在OTA中，跨导依赖于一个常量K，即gm = KIBIAS，K的值依赖于电路内部设计，输出电流由输入电压和偏置电流控制，Iout = gmVin = KIBIASVin。

（2）基本OTA电路：下图给出了一个用做反相放大器并有固定电压增益的OTA，电压增益由跨导和负载电阻设置，Vout = IoutR，两端同时除以Vin，有Vout / Vin = (Iout / Iin)RL，因为Iout / Vin = gm，所以Av = gmRL，下图中放大器的跨导由偏置电流的大小决定，偏置电流由直流电压源和偏置电阻RBIAS决定。