一種微小信號放大器電路的設計

秦德樂， 梁 蓓， 馬 奎， 賈明俊

(貴州大學 大數據與信息工程學院， 貴陽 550025)

0 引 言

微小信號是指電路系統中信號函數的峰峰值(最大值減去最小值)相對較小的信號[1-2]。因為微弱的小信號幅度和輸入阻抗較低，容易受到背景噪聲的干擾等特點，給小信號的檢測與分析帶來諸多不便，只能使用低輸入阻抗的低偏置差分放大電路。目前，眾多放大器具有幾百微伏或更高的輸入偏移電壓，溫度系數通常約為幾微伏，即使偏移電壓能夠滿足零點調整，也難以解決漂移問題[3-5]。

本文基于TLC 2652運算放大器和OP1177差分放大器，設計出一種專用于微小信號的放大器電路。首先采用TLC 2652運算放大器從環境噪聲的角度去解決信號源的問題，從中有效地提取目標信號進行放大，然后使用OP1177差分放大器進一步放大獲得穩定的增益[6-9]。

1 TLC 2652運算放大器

1.1 TLC 2652簡介

TLC 2652[10]內部結構如圖1所示，由5個主要功能單元組成，分別是：主放大器、校零放大器、時鐘和開關電路、補償網絡和箝位電路。

圖1 TLC 2652內部結構圖

在圖1中，主放大器是具有校零功能的三輸入運放；校零放大器內部輸入為反相；時鐘電路用于產生穩定的時鐘信號，開關電路用于控制連通和關閉；補償網絡可以平坦性修復相應結果；箝位電路可以加速電路過載后的修復。

1.2 TLC 2652工作原理

TLC2652的邏輯控制有2個時鐘周期：零校周期和放大周期。主放大器與外接電路的輸入和輸出總是相連在一起的，但是校零放大器是在2個不同的周期內進行自身校零和主放大器校零。

在放大器校零準周期時，把開關A關閉，把放大器的2個輸入端短接在一起[11]，由于放大器本身的反饋作用，使得校準放大器的偏移量盡量最小化。同時，偏移的電壓會存儲在外部的電容器內，為了保證零校放大器在放大期間內始終保持零校準狀態。

當放大器處在放大周期時，把開關B關閉，把零校準放大器的輸出端和主放大器的同相輸入端連接在一起[12]，這樣就可以使得主放大器校準調零。同時，外部存儲電容存儲零校準電壓，為了保證零校放大器在放大期間內始終保持零校準狀態。

在連續不斷的零點設定狀態下，則降低了偏移電壓和漂移，這就解決了低頻噪聲對電路產生的影響。

2 OP1177差分放大器

2.1 OP1177簡介

OP1177差分放大器使用了8個引腳的貼片封裝，而且MSOP和TSSOP封裝可以通用，封裝性能相同。和同等放大器相比，特別是貼片裝置的精密放大器中，OPX177型號可以適應最寬的溫度[13-14]。所有同類型的放大器工作溫度電壓都在-40 ℃～+125 ℃之間，保證了在最惡劣的環境中依然可以正常工作。其封裝圖如圖2所示。

圖2 OP1177封裝圖

OP1177放大器具有低失調電壓、極低失調電壓漂移、低輸入偏置電流、低噪聲、低供電電流、雙電源工作等特點。低失調電壓最大為60 uV；極低失調電壓漂移最大為0.7 uV/℃；低輸入偏置電流最大為2 nA；低噪聲為8 nV/vHz；低供電電流為400 uA/Amp；雙電源電壓為±2.5～±15 V[15]；且其單位增益穩定，無反轉，內部保護適用于超過電源電壓的輸入信號。

2.2 OP1177工作原理

OP1177是一款精密的單路放大器，配備了非常低的偏移電壓和溫度漂移，其偏置電流也達到了最低，還具有低噪聲和低功耗的特點。當負載電容超過 1 000 pF 時，電路外部即使沒有給予補償，但其輸出依然保持穩定，在30 V電壓時，放大器的輸入電流不高于500 uA。放大器內部串聯了500 Ω的電阻，目的是為了保護輸入信號比電源信號稍高，這樣就保證了信號不反轉的情況。

3 總電路設計

本文提出的微小信號放大器電路是由兩級放大電路組成，如圖3所示。針對受到環境噪聲影響的微小信號輸入，第一級通過2片高精度TLC2652運算放大器進行信號放大，并且在芯片連續校零的機制下，使得低頻噪聲、失調電壓及漂移等因素的影響降到最低。第二級在降低噪聲影響的信號基礎上進一步對低頻，微弱信號進行放大，使其獲得更加穩定的增益。

圖3 微小信號放大器電路結構框圖

總電路原理圖如圖4所示，微小信號是由系統自帶的函數信號發生器模擬，信號同時進入2片TLC2652，因為TLC2652的特點是具有較小的失調電壓，由于是共模輸出，2片TLC2652的輸出電壓相同，使得噪聲干擾被降低，通過緩沖把較小的偏置電流再通過OP1177進行差分放大。C4、C5、C7和C8的作用是作為存儲器電容存儲偏置電壓，用來進行零校準。C1、C2、C3、C6和C9是電源的濾波電容，消除電路外界高頻信號對電路產生的影響。根據放大器的工作原理，電路的增益為：G=(1+2×300/2)(100/10) =3 010。

4 仿真實驗結果

本實驗使用Multisim仿真軟件[16]構建電路仿真圖，在圖4微小信號放大器電路原理圖的基礎上進行仿真測試，設置輸入端微小信號函數發生器的相關參數，如圖5所示，模擬的微小信號采用的是正弦信號波形，頻率為60 Hz，占空比為50%，振幅為10 uV。

圖4 微小信號放大器電路原理圖

圖5 微小信號函數發生器

由電路原理圖可知，信號輸出端接入檢測示波器A通道，通過總電路的降噪與兩級放大作用后，檢測結果如圖6所示。通過觀察仿真實驗結果可得，輸出波形的振幅為50 mV，與輸入信號參數對比可知，微小信號被相應地放大，且波形無明顯失真現象，進一步證明了本文設計的微小信號放大器電路的降噪和放大效果。

圖6 輸出信號波形圖

5 結束語

由于傳感器采集到的微小信號通常為幾毫伏的電壓信號，且容易被電路元器件噪聲和環境噪聲所干擾。只有電壓增益足夠大時才能滿足設計要求，而且設計的放大電路自身噪聲也要盡可能降到最低。

本設計提出了一種用于低頻，微弱信號的放大器電路，使用TLC2652運算放大器和OP1177差分放大器，通過兩級放大的原理對微小信號進行相應的降噪和放大，并獲得較高的電壓增益。仿真實驗結果表明，該放大電路取得了預期的降噪和放大效果，且無明顯失真現象發生，較好地解決了漂移問題。