微弱信號高精度線性放大電路的設計

王建宇

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼 寧 大 連116013）

隨著半導體技術和芯片技術的快速發展，大部分的運算放大器都實現了單芯片的形式，運算放大器的種類繁多，功能各異，為放大電路的設計提供很大的方便，廣泛的應用在電子的各個領域當中。運算放大器是一種具有較大電壓放大倍數的電路模塊，在實際的應用當中，通常需要多片運算放大器通過反饋網絡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獲得穩定的放大性能，差分放大電路具有較高的共模抑制比和精確的倍數，橋式傳感器放大電路具有電路結構簡單、較好的線性能。

一個儀器儀表放大器電路應具有極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗、精確和穩定的線性增益、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系到儀器儀表好壞的關鍵性因素[7]。

1 設計思路

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生電位差值。此差值輸入至雙運算放大器，經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，供后續的單片機對放大信號的采集和處理。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖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特別適合應用在儀器儀表中微弱信號的放大。

3 具體電路設計與分析

1)電橋電路設計

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成，電路結構如圖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經過Y1放大后輸入給Y2的反相輸入端，根據疊加原理，當V2≠0，V1=0時有，

第一級的放大電路輸出為，

根據表達式（5）可以得出，圖3所設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要求。

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

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，同時R6與C1一起構成一組低通濾波器。通常有用信號集中在0～500 Hz的頻段，所以，設計的濾波電路的通過頻率應大于等于500 Hz。根據低通濾波器的特點，電路圖中的R6和C1應滿足以下關系式：

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Tab.1 Circuit components parameters

調節可調電阻RX，使RX兩端的電壓在幾毫伏到幾十毫伏的范圍內變化，從而破壞電橋的平衡狀態，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，本電路所選參數的放大倍數為約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，在需要更高放大倍數的場合，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。

根據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計要求。

5 結論

通過實驗與MATLAB的聯合分析，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據進行分析，得出擬合直線及擬合誤差，實驗表明，該設計的運算放大電路滿足設計要求，具有一定的實用性，可以應用在微弱信號的放大電路中。

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