弱信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)*

周云艷

(黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山 245021)

0 引言

在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律的實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到檢測(cè)被強(qiáng)背景噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)問(wèn)題，如地震波的分析、衛(wèi)星信號(hào)的接收、植物電信號(hào)、醫(yī)療中腦電波的分析等。這些問(wèn)題都?xì)w結(jié)為微弱信號(hào)的檢測(cè)。

微弱信號(hào)檢測(cè)與處理是隨著工程應(yīng)用而不斷發(fā)展的一門學(xué)科，采用一系列信號(hào)處理的方法，檢測(cè)被噪聲背景淹沒(méi)的微弱信號(hào)［1］。由于在微弱信號(hào)檢測(cè)與處理系統(tǒng)中，我們獲取的信號(hào)是極其微弱的，因而我們不能直接選用普通的放大器，否則放大器的本底噪聲就可能淹沒(méi)了我們的實(shí)際信號(hào)，所以在這一過(guò)程中，如何在抑制噪聲的前提下增大微弱信號(hào)的幅度是我們獲取有用信號(hào)的關(guān)鍵。本文主要以直流與低頻信號(hào)為研究對(duì)象設(shè)計(jì)一弱信號(hào)放大器，并進(jìn)行仿真分析。

1 集成運(yùn)算放大器的選擇

隨著集成工藝與電子技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)算放大器的性能越來(lái)越好。TLC2652是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。斬波穩(wěn)零的技術(shù)使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，將失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響降低到了最小值，因此TLC2652非常適合用于微信號(hào)的放大［2］。

1.1 TLC2652 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［2］

如圖1所示，TLC2652主要由5個(gè)功能模塊構(gòu)成:

(1)主放大器(Main):與一般的運(yùn)算放大器不同，它有三個(gè)輸入端。除引出芯片外部的同相和反相輸入端外，其在芯片內(nèi)部還有一個(gè)用于校零的同相輸入端。

(2)校零放大器(Null):它也有三個(gè)輸入端，但與主放大器相反，在芯片內(nèi)部的輸入端是反相輸入端。

(3)時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)電路:內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，控制各開(kāi)關(guān)按一定的時(shí)序閉合與斷開(kāi)。在14和20引腳的芯片中時(shí)鐘信號(hào)還可從外部引入。

(4)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(Compensation-Basing Circuit):它使電路在較寬的頻帶內(nèi)有平坦的響應(yīng)。在TLC2652中，電路的高頻響應(yīng)主要由主放大器決定。

(5)箝位電路(Clamp Circuit):它實(shí)際上是一個(gè)當(dāng)輸出與電源電壓相差接近1 V時(shí)動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，把CLAMP與運(yùn)放的反相輸入端短接，則其引入的深度負(fù)反饋可使電路在過(guò)載時(shí)的增益大大下降以防止飽和。它可以加速電路在過(guò)載后的恢復(fù)。

圖1 TLC2652的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 TLC2652 的主要性能指標(biāo)［2］

(1)極低的輸入失調(diào)電壓:最大值1 μv

(2)極低的輸入失調(diào)電壓漂移:典型值0.003 μV/°C

(3)低輸入失調(diào)電流:最大值500 pA(TA=－55℃ ～125℃)

(4)開(kāi)環(huán)電壓增益:最小值135 dB

(5)共模抑制比:最小值120 dB

2 弱信號(hào)放大電路

TLC2652的典型電路如圖3所示，構(gòu)成差分放大電路。

圖2 TLC2652的8引腳封裝

圖3 TLC2652的典型電路

如果 R1=R2，R3=R4，則

這一電路提供了儀表放大器的功能，即放大差分信號(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)，但是同相輸入端與反相輸入端阻抗相當(dāng)?shù)投也幌嗟?。由圖3容易得到同相輸入端的阻抗為(R2+R4)，反相輸入端的阻抗為R1。另外，這一電路要求電阻對(duì)R1/R2和R3/R4的比值匹配得非常精密，否則，每個(gè)輸入端的增益會(huì)有所差異，這將直接影響電路的CMR?，F(xiàn)根據(jù)儀表放大器的工作原理設(shè)計(jì)一個(gè)高精度高穩(wěn)定性的放大器。

2.1 儀表放大器的工作原理

標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器的電路如圖4所示［3］。該電路可以提供兩輸入端匹配的高阻抗，使得輸入源阻抗對(duì)電路的CMR影響最小。其中A1和A2運(yùn)算放大器用于緩沖輸入電壓，A3構(gòu)成差分放大電路。

圖4 儀表放大器的原理圖

如圖4所示電路，如果R5=R6，R1=R2且R3=R4，則

如果A1和A2使用的是相同的運(yùn)算放大器，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓相等，加到A3差放后，將被相互抵消，因而整個(gè)電路具有很強(qiáng)的共模抑制能力，很小的輸入失調(diào)電壓和較高的差模電壓增益。

2.2 電路原理圖

根據(jù)儀表放大器的原理，設(shè)計(jì)出利用TLC2652構(gòu)成的弱信號(hào)放大電路如圖5所示。

圖5 弱信號(hào)放大電路

如圖5所示電路，利用兩片TLC2652來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入緩沖，TLC2652有極其微小的輸入失調(diào)電壓，且共模輸出電壓相等，利用低噪聲、低輸入偏置電流OP1177作為差分放大電路。電容C1、C2、C3、C4接到TLC2652的CxA和CxB引腳作為記憶電容存儲(chǔ)失調(diào)電壓，以實(shí)現(xiàn)校零。電容C5、C6、C7、C8、C9作為電源濾波電容，用于濾除高頻干擾。根據(jù)儀表放大器的工作原理知該電路的增益G=(1+2X300/2)(100/10)=3010。

3 仿真分析

依據(jù)該弱信號(hào)放大電路，在Multisim10.0軟件中搭建電路進(jìn)行了仿真分析［4］。設(shè)輸入信號(hào)的頻率為60 Hz，ui1和ui2幅度均為10μVp，利用Transient Analysis，可以得到電路的輸出波形如圖6所示。拖動(dòng)標(biāo)尺，可以計(jì)算出此時(shí)的電路增益G約為3 000，即69.5 dB。

運(yùn)行Analysis下的ACAnalysis，得到如圖7所示的頻率特性曲線。從該圖中我們可以看到該放大電路在中低頻率情況下幅頻特性和相頻特性都比較平穩(wěn)。通過(guò)拖動(dòng)標(biāo)尺，可以得到該電路的帶寬約為300 Hz。

圖6 弱信號(hào)放大電路的輸出波形

圖7 弱信號(hào)放大電路的頻率特性曲線

利用Multisim軟件仿真測(cè)量還可以得到該電路的輸入電阻很大，約為幾十MΩ;輸出電阻很小，小于1 Ω;共模抑制比可以達(dá)到60 dB以上;電路失真率小于0.05%;在300 Hz的帶寬內(nèi)頻率穩(wěn)定度小于0.02%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)低頻信號(hào)利用TLC2652設(shè)計(jì)了一個(gè)弱信號(hào)放大電路，并且利用Multisim軟件進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在實(shí)踐中有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是做成實(shí)物電路還必然會(huì)引入部分噪聲，例如PCB板的布線、材料的選擇都需要注意。

［1］高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:1－3.

［2］TLC2652，TLC2652A，TLC2652Y Advanced LinCMOSTM Precision Chopper-stabilized Operational Amplifiers，2001，Texas Instruments:1－2［OL］.http://www.wenku baidu.com，2011.8.

［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)［M］.北京:高等教育出版社，1999:331－333.

［4］張新喜.Multisim10電路仿真及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:200－210.

［5］成月良，方壽海.流動(dòng)注射儀分析儀前置放大電路的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(9):2015－2017.

［6］張石銳，鄭文剛，黃丹楓，等.微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25:222－224.