高中電子學_運算放大器_3. 反相及非反相放大器_3.6 儀表放大器 1_支裕文

各位同學大家好,我是孜育文老師,今天我們所要講授的內容是電子學課程裡面運算放大器單元下的反向與非反向放大器part f。 在這個單元裡面,我們要談到的是儀表放大電路的第一個部分。 首先我們先看,這是一個放大器的方塊圖,那儀表放大器也就是由這樣的方塊圖去組合而成的。 那至於怎麼組合而成,我們往下看。儀表放大器,它簡稱叫作IA,它是具有高輸入阻抗跟降低共模信號這兩個很大的特性, 通常使用於工業用的儀器或者是醫療用的儀器。這是一個簡單的方塊圖, 三角形代表是放大器,所以它是由三個基本的放大器所組成,那左邊是它的輸入端, 右邊是它的輸出端,這樣整體的電路我們就把它稱之為叫儀表放大器。 所以這是一個簡單的儀表放大器的應用例子,左邊是一個人, 那我們在人的左胸跟右胸分別量測他的心電圖信號,那這就是他的表皮電壓信號。 那我們知道說心電圖的原理是,我要把兩個信號去做相減, 所以我們把這兩個信號,左胸跟右胸的信號送進儀表放大器,分別是A跟B兩端, 進行放大跟相減的作用。那儀表放大器有一個降低共模信號的優點, 所以我們原本的信號在上面會有些雜訊,那雜訊不會只是從單端進去的,而是AB兩端都有, 所以這個雜訊信號就會經由儀表放大器做相減而被減掉。 那下面是一個60赫茲的幹擾信號,只要我們的電源插上去,就會有60赫茲的幹擾信號, 而這個幹擾信號也是我們不要的,所以經由儀表放大器,它也可以把它相減掉,最後得到一個乾淨的信號。 這個是儀表放大器的內部構造圖,我們從左邊可以看到,它的電壓增益等於VO除以 V2-V1,VO是它的輸出信號,而V2跟V1分別是它的兩端輸入, V1是反向輸入,V2是非反向輸入,所以從這個式子我們可以知道, 它的電壓增益會跟這兩個相減有關,所以言下之意,它只放大這兩個信號的相減的差值, 那如果是共謀信號的話,在這邊會被減掉,那這儀表放大器最後的增益會等於1加上RG分之RF1加RF2, 乘上R1分之R2,至於這個怎麼來的,我們後面來分析。 這個是一個外部電路跟儀表放大器的示意圖,所以左邊是我的信號, 所以A是左胸,B是右胸,所以左右胸會取得一個信號,那這個信號叫做VD, 那VD呢,因為它是儀表放大器的前端是插洞放大,所以我們可以知道它會變成二分之VD, 下面有一個二分之VD,變成兩組二分之VD,那這圖上面紅色的部分, 它是共謀信號,也就是我們一般俗稱的雜訊,那這個雜訊會被加入到這個信號裡面, 所以使得上半部分變成負的二分之VD加上VCM,下半部呢,會變成二分之VD加上VCM,變成這兩組信號, 那再經過cable線傳遞出去,那傳遞到我的儀表放大器就會有V1跟V2兩個, 所以共謀信號也進來了,插謀信號也進來了,這是前端的部分,那進到儀表放大器之後,因為它的V2跟V1會去做相減, 所以共謀信號就會被減掉,那這是它的電壓爭議,接下來我們來看儀表放大器內部電路的分析, 第一個步驟,我們先找I,所以我們先看上面的,上面是一個運算放大器,它的輸入阻抗很大, 那因為它有負回受,所以我們知道這兩點是有虛短路的特性,所以V正會等於V負, 那這邊我們假設這一點電壓叫做V1,為什麼叫做V1,因為輸入信號是V1,所以我們虛短路的話,這邊也是V1, 那下面的話,一樣的道理,V正的角輸入叫做V2,所以經由虛短路特性,我們知道V負的角,它也是V2, 那這樣就很簡單了,I的話呢,剛好是通過RG電阻的電流,那RG的兩端分別是V2跟V1, 那我們根據它題目分析的方向,箭頭是向上,所以我們就把V2減掉V1,再除以RG,剛好就是我的電流I, 記得我們要根據電流方向來計算,因為電流方向向上,所以是V2減V1, 如果今天電流方向是向下,那就要變成V1減V2,接下來我們來看這張圖,我們要求V01, 那V01呢,會等於V1減掉I乘上RF1,也就是V1電壓減掉RF1上面的壓降, 所以我們看這個式子,我們就可以直接把它列上去,V01會等於V1減掉I乘上RF1, 那I等於什麼?根據剛才的算式,我們可以知道I就會等於V2減掉V1除以RG, 所以我們把這個帶進來,式子裡面,所以V2是在下面的電壓,接下來我們再把RF1乘進去, 所以我們就可以知道最後可以得到V1加上V1乘上RG分之RF1減掉V2乘上RG分之RF1, 接下來我們來看VO2,VO2一樣的道理,電流I一樣會流過RF2, 所以我們可以找到VO2,它就會等於V2加上I乘上RF2,那我們把I一樣用V2減V1除以RG帶進去, 再把RF2乘進去,我們就可以得到V2加上V2乘上RG分之RF2減掉V1乘上RG分之RF2, 這樣就可以把VO2找出來,接下來我們把VO1跟VO2找出來之後, VO1跟VO2分別就是下一集的輸入,接下來我們再來分析後面, 那在分析的時候我們令R1等於R3,R2等於R4,我們把後面一集單獨拿出來看, 上面是VO1,下面是VO2,所以我們利用重疊定理來計算, 我們首先先把VO2接地,我們只先算VO1的影響, 所以我們知道VO1會等於VO1乘上-R1分之R2, 因為基本上這個就是一個反向放大器,所以我們直接帶反向放大器的正義。 第二個我們看VO2的影響,所以我們把VO1接地,信號是從VO2進去, 那VO2進去的時候我們先看到R3跟R4會造成一個分壓的現象, 所以它VO2要乘上R3加R4分之R4纔是我們真正V正的輸入, 那因為它是一個非反向放大器,所以我們直接把正義寫出來,它會等於1加上R1分之R2, 所以直接寫進去,看那個式子,VO2 2就會等於 VO2乘上R3加R4分之R4,這是分壓之後的結果,再乘上一個電壓正義1加上R1分之R2。 那因為我們前面假設R1等於R3,R2等於R4, 所以我們把它帶進去,R3用R1帶,R4用R2帶, 就會得到VO2 2會等於VO2乘上R1加R2分之R2,再乘上1加上R1分之R2。 那我們再把這個式子進行化解,原本的式子長這樣,那我們經由化解, 我們把括號裡面的1加上R1分之R2變成R1分之R1加R2, 那這樣子分子有R1加R2,分母也有R1加R2就可以約掉, 約完之後就會得到VO2 2會等於VO2乘上R1加R2, 那我們再把它整理一下,VO1 1會等於VO1乘上負的R1分之R2, 而VO2 2會等於VO2乘上R1分之R2。 那重疊定理告訴我們,最後的VO會等於兩個輸入的影響的總和, 所以我們把兩個輸出相加,所以真正的VO會等於VO1 1加上VO2 2, 帶進去,VO就會等於VO2減VO1乘上R1分之R2,所以這就是我最後的VO。 所以我們看到VO會等於VO1跟VO2之間的差值,然後乘上一個放大倍率R1分之R2, 所以這個是VO1、VO2,經由後面之後我就會得到一個輸出, 最後輸出的結果會等於這樣子。 接下來我們把PARF做一個總結,儀表放大器它有兩個輸入, 一個是V1的反向輸入,一個是V2的非反向輸入, 那經由前期放大之後會得到VO1跟VO2, 所以VO1會等於V1加上V1乘上RG分之RF1,減掉V2乘上RG分之RF1。 那VO2呢一樣會等於V2加上V2乘上RG分之RF2,減掉V1乘上RG分之RF2, 會得到兩個結果,那把這兩個結果再帶進去後面那一級的放大器, VO1跟VO2分別帶到後面那一級的放大器,最後得到VO, 但是在運算的時候我們必須假設R1等於R3,R2等於R4, 最後就可以得到VO等於VO2,減掉VO1,乘上R1分之R2。 以上就是PARF的內容,希望各位同學能夠熟讀,並多加練習,謝謝。