微弱信號高精度線性放大電路的設(shè)計

王建宇

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼 寧 大 連116013）

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和芯片技術(shù)的快速發(fā)展，大部分的運算放大器都實現(xiàn)了單芯片的形式，運算放大器的種類繁多，功能各異，為放大電路的設(shè)計提供很大的方便，廣泛的應(yīng)用在電子的各個領(lǐng)域當中。運算放大器是一種具有較大電壓放大倍數(shù)的電路模塊，在實際的應(yīng)用當中，通常需要多片運算放大器通過反饋網(wǎng)絡(luò)等有機的組合在一起，完成微弱信號的固定放大。目前，常用的運算放大電路主要有同向比例放大電路、反向比例放大器，負反饋放大電路、差分放大器和橋式放大器[2-4]等。負反饋放大電路是以犧牲放大倍數(shù)獲得穩(wěn)定的放大性能，差分放大電路具有較高的共模抑制比和精確的倍數(shù)，橋式傳感器放大電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、較好的線性能。

一個儀器儀表放大器電路應(yīng)具有極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗、精確和穩(wěn)定的線性增益、極高的共模抑制比（CMRR）。放大器儀表電路的精度和線性度直接關(guān)系到儀表測量的精度和準確度[5-6]。因此，儀表中的放大器電路是關(guān)系到儀器儀表好壞的關(guān)鍵性因素[7]。

1 設(shè)計思路

文中介紹的是一種由惠斯通電橋電路和兩級運算放大電路構(gòu)成的放大電路，電路中將傳感器部件接入電橋電路，當傳感器部件因外界因素影響其阻值變化時，電橋平衡被打破而產(chǎn)生電位差值。此差值輸入至雙運算放大器，經(jīng)雙運算放大器放大的信號輸入第二級運算放大器。第二級運算放大器對雙運放的輸出信號進行二次放大和濾波，供后續(xù)的單片機對放大信號的采集和處理。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System block diagram

2 運算放大器芯片選擇

電路中采用的運算放大器芯片為ICL7652，它是一款單芯片單運算放大器，溫度漂移典型值為0.003 μV/℃，可以放大μV級電壓。同時ICL7652具有較高共模抑制比，對低頻噪聲具有較好的抑制效果，具有較高的輸入阻抗，的因此，ICL7652特別適合應(yīng)用在儀器儀表中微弱信號的放大。

3 具體電路設(shè)計與分析

1)電橋電路設(shè)計

文中電橋電路采用惠斯通電橋，如圖2所示。

圖2 電橋電路Fig.2 Bridge circuit

電橋平衡時，有

當RX變化時，電橋平衡被打破，這時電橋電路中的V1和V2分別為，

2)第一級運算放大電路

第一級運算放大電路由一個雙運算放大器的電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 第一級運算放大電路Fig.3 The first leve amplifier circuit

雙運算放大器電路的輸入信號為電橋的輸出信號的差值，可以有效地抑制共模信號。圖中Y1是一個同相比例放大電路，電橋的輸出電壓信號V2經(jīng)過Y1放大后輸入給Y2的反相輸入端，根據(jù)疊加原理，當V2≠0，V1=0時有，

第一級的放大電路輸出為，

根據(jù)表達式（5）可以得出，圖3所設(shè)計的電路符合真正的差分電路的放大要求，可以有效地濾除共模信號，而只有差分信號被放大。Y1和Y2作為雙運算放大器的同時，又是一個具有高輸入阻抗的緩沖器，保證V1和V2電壓不被降低，所以圖3所示電路具有較高的輸入阻抗符合一起儀表放大器的技術(shù)要求。

在圖3所示電路中，調(diào)節(jié)的阻值，可以線性的改變放大電路的增益。以適合不同場合的應(yīng)用。為了使電路的CMRR達到最大，可以同時調(diào)節(jié)R8和R12的大小而不破壞放大電路的平衡狀態(tài)。

3)第二級運算放大電路

第二級運算放大電路將第一級的輸出信號進行二次放大，同時濾除高頻干擾信號。電路如圖4所示。

圖4 第二級運算放大電路Fig.4 The first leve amplifier circuit

電路中，第一級的輸出信號接入第二級運算放大器Y3的反相輸入端，在其反饋回路中接入電阻R6來確定放大倍數(shù)，同時R6與C1一起構(gòu)成一組低通濾波器。通常有用信號集中在0～500 Hz的頻段，所以，設(shè)計的濾波電路的通過頻率應(yīng)大于等于500 Hz。根據(jù)低通濾波器的特點，電路圖中的R6和C1應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

同時，為保證集成運算放大器輸入級差分放大電路的對稱性，R5應(yīng)與R6和R7組成的電阻阻抗匹配。

4 整體電路測試

整體電路圖如圖5所示。電路中各電容電阻參數(shù)選取如表1所示。

圖5 整體電路圖Fig.5 The entire circuit

表1 電路中元器件參數(shù)Tab.1 Circuit components parameters

調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RX，使RX兩端的電壓在幾毫伏到幾十毫伏的范圍內(nèi)變化，從而破壞電橋的平衡狀態(tài)，使V1和V2的差值輸入到運算放大電路的第一級，記錄RX兩端的電壓和放大后的電壓。各點電壓值記錄如表2所示，表中x表示原始信號，單位為mV，y表示放大后的信號單位為mV。

表2 測試電壓記錄表Tab.2 Voltage test record

根據(jù)表中的的測試值，利用Matlab進行最小二乘法的直線擬合，擬合直線如圖6所示。

圖6 擬合直線圖Fig.6 Fitting line

從擬合直線及各點的分布情況，計算出擬合直線的表達式如下，

由上式可以看出，本電路所選參數(shù)的放大倍數(shù)為約67.5倍，具有非常好的線性度，改變電阻R9可以改變第一級運算放大電路的放大倍數(shù)，在需要更高放大倍數(shù)的場合，可以在改變R9的同時改變R5和R6的值，取得更大的放大倍數(shù)。

根據(jù)測試點的取值及擬合直線的情況，利用MATLAB計算出擬合誤差，擬合誤差為0.788 781%，擬合直線誤差較小，線性度較好，滿足運算放大電路對小信號的放大的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

通過實驗與MATLAB的聯(lián)合分析，微弱信號放大電路可以滿足高精度線性放大的要求，并且利用實驗測試的數(shù)據(jù)進行分析，得出擬合直線及擬合誤差，實驗表明，該設(shè)計的運算放大電路滿足設(shè)計要求，具有一定的實用性，可以應(yīng)用在微弱信號的放大電路中。

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