基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ８的弱信號放大電路的設計與仿真

摘要：介紹了ICL7650斬波集成運放的性能，并采用該器件設計了一個弱信號的前置放大電路，通過multisim 8軟件進行仿真和測試，其增益、幅頻特性、信噪比等性能指標都能達到設計的要求。該電路結構簡單，對直流、低頻微弱電信號放大具有一定的參考使用價值。

關鍵詞：運算放大器；微弱電信號；ICL7650；仿真

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)16-21322-03

Design and Simulation of Amplification Circuit for Weak Electrical Signals by Multisim

WU Xu-hua

(College of Engineering， Anhui Xinhua University， Hefei 230088， China)

Abstract:The capability of ICL7650 chip operational amplifier is introduced in this paper．one kind of weak signal pre-amplification circuit is implemented by the amplifier and it’s gain 、amplitude-frequency characteristic、signal-to-noise and so on all achieve the design by Multisim 8 simulation and testing. This circuit is of simple structure ， which has certain reference use value to directs current、the low frequency weak electrical signal amplification.

Key words:operational amplifier；week signal；ICL7650

1 引言

運算放大器 (op—amp)簡稱運放，因最初主要用于模擬量的數學運算而得名。它是一個高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的直接耦合多級放大電路[1]，也是最基本、最具代表性、應用最廣泛的一種模擬集成電路。隨著集成電路技術的迅速發展，電路性能設計的完善，集成運放正以無可比擬的優異性深入到各個領域。普通的集成運放一般具有 mV級的失調電壓和每度數微伏的溫度漂移，因而將集成運放直接用于微弱信號的放大是十分困難的。然而在工業自動化控制、過程控制中，運放常被用于放大來自傳感器的低電平信號，這就要求用作前置放大器的集成運放具有高的輸入阻抗，低的輸出阻抗，低失調電壓和溫度漂移以及精密的反饋特性和高的共模抑制比能力[2]，否則造成的漂移問題將使系統無法正常工作，ICL7650正是為適應上述要求而研制成功的。

2 ICL7650性能介紹

斬波器穩定型運算放大器ICL7650芯片是Intersil公司的第四代運算放大器，性能極為優越穩定，因而在精密儀表、微弱信號的檢測及過程控制系統中作為前置放大器應用很廣。

ICL7650 主要有如下幾個特點[3]:

1) 極低的輸入失調電壓:整個工作溫度范圍(約100 ℃) 內只有±1μV ; 輸入偏置電流低: 15pA (典型值) ;

2) 失調電壓的溫漂和長時間漂移極低 ：分別為 0．01 t，v／℃和 100 nV ／Month;

3) 極高的開環增益，CMRR ，PSRR 均≥130 dB ; 較高的轉換速率: SR = 0. 5 V/μs ;

4) 單位增益帶寬BWG=2 MHz，并具有內部補償，相位裕度≥80；

5) 內部有箝位電路，能減少過載時的恢復時間;在輸入端、輸出端只有極微小的斬波尖峰泄漏。

3 用ICL7650設計弱信號的前置放大電路

根據上述分析，結合儀用放大器的原理，實際電路設計如圖1所示：

R0為ICL 7650 輸入限流保護電阻。在ICL7650 的外圍電路中，電源電壓輸入端和地之間接入一個0.1μF(104)的電容，用來濾除電源帶來的干擾。采樣電容C2、C3在動態校零中起關鍵作用，直接影響到運放自動穩零的精度，故選用高阻抗、瓷介質、聚本乙烯材料的優質電容，其值可取0.1μF。 R3與C6組成濾波網絡，用來濾去ICL7650 模擬開關換向所帶來的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過沖。

該電路第一級是兩個對稱的ICL7650集成運放，有很高的輸入阻抗和共模抑制比， 而且變雙端輸入為單端輸出。由于整個電路的失調電壓及漂移與第一級有密切關系，因此A1、A2選用了具有超低失調電壓和超低漂移的ICL7650集成運放。ICL7650作為高精度、低漂移放大器，其輸入一般只有幾百微伏甚至幾十微伏電壓就能正常工作。

4 采用Multisim 8軟件進行仿真

4.1 Multisim 8軟件介紹

Multisim 8軟件由加拿大Interactive Image Technology 公司推出的電子電路仿真軟件EWB（Electronics WorkBench）發展而來，它繼承了EWB直觀的電路仿真與設計界面，并發展了EWB的器件庫和虛擬儀表庫。Multisim 8是Multisim 7的升級版本，其人性化的界面、龐大的器件儀表庫和完善的分析方法能勝任電路設計與仿真的絕大部分場合，可以方便地對模擬、數字或混合電路進行仿真[4]，且大多數采用實際模型，確保了仿真和設計結果的真實性和實用性。由于本設計是放大μV級電壓信號，而如此微弱的電信號放大及處理是很困難的，如運算放大器的零漂、噪聲、外界干擾、信道的傳輸等，都將嚴重地影響著信號的保真與提取。因此雖然成功搭建了實際硬件電路，但還可能存在著干擾和噪音，故運用Multisim 8軟件對設計的電路進行性能仿真分析。

4.2 創建仿真電路原理圖

根據圖1所設計的電路原理圖進行仿真電路圖的創建，得到如圖2所示的仿真電路圖。

圖2 仿真電路

4.3 函數信號發生器的設置

為了模擬傳感器送來的微弱信號，設置輸入信號的頻率為20Hz，幅度為10uV。如圖3所示。

4.4 輸出信號的波形

10uV交流信號經過圖2放大電路放大，可得到30mV的電壓交流信號，如雙通道示波器所示。

4.5 電路幅頻特性測試

本文設計的放大電路主要是放大低頻微弱信號，對高頻也有一定的抑制，雙擊XBP1波特圖示儀的圖標，設置合理的參數，顯示出電路的幅頻特性曲線，如圖5所示，在圖中曲線的中間水平線中可以清楚得到電路的增益為69.589dB，用鼠標拖動讀數軸可得上限頻率fH =294.963Hz， 下限頻率fL=0，頻帶寬度B= fH - fL =294.963Hz.。

圖4 雙通道示波器 圖5 頻帶寬度測試

4.6 電路失真度測試

雙擊XDA1的失真度測量儀圖標，出現如圖6所示界面，調整好參數，可得到電路的失真度為零，信噪比是100dB，所以本電路信噪比高，噪音小。

圖6 失真度測試

5 結束語

本文針對傳感器輸入信號的特點設計了微弱電信號的前置放大電路，并運用Multisim 8軟件進行了功能仿真。由于采用的斬波穩零運放 ICL7650有極低的失調電壓和漂移，使得電路有良好的性能，經仿真，各參數基本上都達到了設計要求。此放大電路結構簡單，效果良好，對微弱的直流、低頻信號的前置放大具有一定的使用價值。

參考文獻：

[1] 胡宴如.模擬電子技術（第2版）[M].北京: 高等教育出版社.

[2] 康華光. 電子技術基礎-模擬部分(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社.

[3] 文亞鳳、趙蓮清. ICL7650-CMOS斬波集成運放簡介及應用[J].現代電子技術，2006.

[4] 楊欣、王玉鳳. 電路設計與仿真-基于multisim 8與protel 2004[M].北京.清華大學出版社，2005 .9.