低噪声微弱信号放大电路的研究

1、目 录摘要1关键词1abstract1key words1引言（或绪论）11系统框架及电阻应变传感器输出信号特点21.1电路系统框图21.2电阻应变传感器电路结构及其输出信号特点32微弱信号放大电路42.1 运算放大器tlc265242.1.1运算放大器tlc2652的工作原理42.1.2运算放大器tlc2652的主要技术性能及封装52.2 运算放大器op0762.2.1运算放大器op07的基本原理62.2.2运算放大器op07的技术指标和特点 82.3 放大电路的构成83实验结果及分析94 结束语 10致谢10参考文献11低噪声微弱信号放大电路的研究摘要：在测量纱线张力的时候,较大的张力容易

2、被检测和测量,而较小的张力的测量则要复杂困难的多。电阻应变传感器具有高灵敏度、高精度的特点,从理论上来说适合作为小张力的信号转换器件。但是要设计好相应的小信号放大电路却有相当的难度,因为小信号极易受外界干扰。而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它们的初始失调参数并不等于零,而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。这使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。本案应用高精度斩波稳零运算放大器芯片tlc2652 设计小信号前置放大电路,用芯片op07 设计后级放大

3、滤波电路,通过级联方式对小信号进行放大滤波。关键词：tlc2652;电阻应变传感器; 放大滤波; 小信号the research of small-signal amplifing circuitstudent majoring in elect ronics name jinyi tutor lixiuxiaabstract：in the measurement of yarn tension, the greater the tension easily be detected and measured, and the smaller will be the tension measur

4、ement of more complex and difficult. resistance strain sensors with high sensitivity, high-precision features, in theory suitable for small signal conversion devices tension. but the design of the corresponding small-signal amplifier there was a considerable difficulty, because the small-signal vuln

5、erable to outside interference. integrated operational amplifier and the general parameters of the compensation principle is to use the direct coupling, or resistance-capacitance coupled amplifier, which parameters of the initial imbalance is not zero, but zero potentiometers with precision correcti

6、on or adjustment to the imbalance compensation parameters . this allows direct coupling of the signal amplifier at the same time to enlarge enlarge the drift, and the resistance-capacitance coupled amplifier can inhibit drift though, but can not be used to enlarge small dc signals or slow changes in

7、 signal. in this case the application of high-precision chopper stabilized op amp tlc2652 chip preamp design small-signal circuit design using chip-level amplification op07 filter circuit, by way of cascade amplification of small signal filtering.key words: tlc2652；resistance strain sensor；amplifyin

8、g and filtering；small-signal引言: 电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代近年来,微电子产品得到广泛使用,迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗,低电压、低功耗的模拟电路设计技术正成为研究的热点。从能源角度考虑,低的功率消耗不仅是电池驱动的便携设备的需求,更是大型系统的迫切需要。 运算放大器作为集成电路中最基本的单元,其重要性是众所周知的。现代工业设计，工程建设及日常生活中数据测量起着重要的作用，早期的数据测量主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据、电压、电流数据等

9、，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的数据测量不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对某些数据的要求极其严格，温度、湿度、电压、电流等数据的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。由于某些信号比较微弱，因此，这就需要将其放大，再进行相关的研究，使人们对某些数据变化做及时的调整，提示人们数据变化情况，协助人们能及时的调整，起到报警作用，使其更好的服务于社会生产，生活。例如，在测量纱线张力的时候,较大的张力容易被检测和测量,而较小的张力的测量则要复杂困难的多。电阻应变传感器具有高灵敏度、高精度的特点,从理论上来说适合作

10、为小张力的信号转换器件。但是要设计好相应的小信号放大电路却有相当的难度,因为小信号极易受外界干扰。而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它们的初始失调参数并不等于零,而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。这使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。针对以上集成运算放大器的缺点，本案应用高精度斩波稳零运算放大器芯片tlc2652 设计小信号前置放大电路,用芯片op07 设计后级放大滤波电路,通过级联方式对小信号进行放大滤波。1 系统框架及电阻应变传感器输出信号

11、特点11 电路系统框图本系统主要由电源模块、电阻应变传感器、小信号放大电路、放大滤波电路等4部分组成，电路总体框图如图1所示。电源模块主要为其他三个模块提供稳定可靠的电压；传感器电路作为信号转换电路，把非电量（小张力）转换成电压信号；小信号放大电路主要由高精度斩波稳零运算放大器芯片tlc2652组成，对输入信号进行前置放大并对噪声进行有效抑制，对干扰信号的抑制主要集中在这一级；放大滤波电路作为后级放大器，同时也起到了低通滤波的作用。 图1 电路总体框图12 电阻应变传感器电路结构及其输出信号特点 电阻应变传感器电路结构及其输出信号特点，电阻应变传感器内部是由4 个应变片 构成的桥式电路,构成等

12、臂电桥电路。当受力适应变片产生形变，相应的电阻值发生变化，从而使桥路失去平衡，在电桥有外电源供电的情况下，利用桥差来检测被测信号。电桥按激励源不同可分为恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。 由于采用恒流源供电比采用恒压源供电可以减少非线性误差,因此本设计采用恒流源供电模式,如图2所示。 其中理论上未受任何力时应有 r1 = r2 = r3 = r4 ,当受到压力和拉力(分别变化r1 ,r2 ,r3 ,r4 ) 作用的时候,其桥臂电阻值分别变为 r1 - r1 , r2 +r2 , r3 +r3 , r4 - r4 ;设流过 r1 和 r2 的电流分别为 i1 和 i2 ,可得到:u0 = i1 (

13、 r3 +r3 ) - i2 ( r4 - r4 ) (1)又 u0 = i2 ( r2 +r2 ) - i1 ( r1 - r1 ) (2)而 i = i1 + i2 (3) 根据式(1) 、 式(2) 、 式(3) 可推出:u0 = i ( r2 +r2 ) ( r3 +r3 ) - ( r1 - r1 ) ( r4 - r4 ) / ( r1 + r2 + r3 + r4 +r2 +r3 - r4 - r1 ) (4) 图 2 电阻应变传感器电路 由于分母中(r2 +r3 - r4 - r1 ) 很小,其值可以忽略。 其中初始条件: r1 = r2 = r3 = r4 = r;当各桥臂阻

14、值变化r1 =r2 =r3 =r4 =r时,代入上式并整理得输出电压:u0 =r i (5)式(5) 表明:当恒流源供电时,其输出信号 u0 与电阻应变量以及恒流电流成正比,传感器的输出与供电电流大小和精度有关(假设忽略温度的影响) 。 表1 给出了传感器的部分实验数据(实验条件:室温;恒流源 5ma;安捷伦六位半数字万用表;定量砝码)。表 1 传感器部分实验数据 从表 1 中可以看出 ,传感器输出信号是十分微弱的微伏级电压 ,设计要求量程为 40 g ,最小分辨张力为0. 1 cn ,转化成电压信号后要求最小能分辨 3v 的幅度变化。表中数据经电平位移可得输出电压范围约为 01. 2 mv。

15、如此微小的信号容易受噪声的干扰 ,因此要有效提取该信号 ,关键的是在放大有用信号的同时把干扰信号有效地抑制掉 ,设计放大器时还要充分考虑放大器的精度和稳定度。2 微弱信号放大电路 根据输出信号特点 ,放大器的设计主要是高增益 ,低噪声。一方面 ,提高增益的最直接的措施是采用多个放大器级联 ,但这种结构在提高增益的同时也引入了噪声干扰 ,而且级数越多引入电路的传输函数极点越多 ,造成系统不稳定 ,一般不选择三级以上级联方式 ,常用两级级联方式。另一方面 ,由于多级放大电路噪声系数及电压增益满足:nftotal = 1 + (nf1 - 1) + (nf2 - 1) / av1 + + (nfn

16、- 1) / av1 av2 avm,由此可见 ,多级放大电路总噪声主要取决于第一级。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器 tlc2652 在抑制噪声、 增益、 漂移方面都有优异的特性 ,是解决微信号放大问题的廉价方案。21 运算放大器tlc2652在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。 这时， 普通的运算放大器已无法使用， 因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。 固然输入失调电压可以被调零， 但其漂移则是难以消除的。德州仪器公司的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。211 运算放大器tlc2652的工作原理tlc2

17、652 功能框图示于图3 。tlc2652 芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期 ： 校零周期和放大周期。 主放大器一直与电路的输入端和输出端相连，而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。在校零周期内，开关a 闭合，使校零放大器的两个输入端短路， 通过自身的反馈， 校零放大器的失调电压被减到最小。同时，外接记忆电容cxa 中储存了这一失调电压，使校零放大器在放大周期内仍保持校零。在放大周期内，开关b 闭合，把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来， 使主放大器被校零。同时，外接记忆电容c xb 中储存了校零电压， 使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。在tlc2652

18、中，内部时钟使放大器以450hz 的频率校零。 在这种连续校零的机制下， 失调电压及其漂移、 共模电压、 低频噪声、 电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。 由于低频信号经过两个放大器放大， 电路可以获得极高的增益，这在需要精密高增益放大的电路中是十分有用的。由于使用了lincmos 工艺和低噪声的mosfet ，输入噪声被大大减小。 图3 tlc2652 的功能框图212 运算放大器tlc2652的主要技术性能及封装tlc2652 是德州仪器公司使用先进的lincmostm 工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器,其封装如图4所示。在 tlc2652 内部 ,有主放大器和较零放大器 ,

19、内部时钟使放大器以450 hz 的频率校零。在这种连续校零的机制下 ,失调电压及其漂移、 共模电压、 低频噪声、 电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到最小。由于使用了lincmos工艺和低噪声的 mos2fet ,输入噪声被大大减小, tlc2652 非常适合用于微弱信号的放大。其主要技术性能如表2 所示。 图4tlc2652 封装图 表 2 tlc2652 主要技术性能22 运算放大器op07221 运算放大器op07的基本原理 op07系列运算放大器采用精密双极型 pnp输级并配有高电压cmos输出级,从而使这种放大器的输入电压范围包括负电源电压(通常指单电源应用中的地) ,并且输出摆

20、幅差1mv不到电源电压。另外输入电压范围扩展到差别1v不到正电源电压。这种外延pnp输入级提供的高击穿电压、高增益和输入偏置电流技术指标都可与带达林顿输入级的放大器相比,但是没有带达林顿输入级放大器存在的那些缺点(使输入电压范围、失调电压、漂移和噪声严重变劣)这种pnp输入结构还极大地降低了噪声并且减小了直流输入误差。电源电压：op07系列放大器用一个+ 5v单电源供电完全能达到规定技术指标,由于采用创新设计和工艺,它们在电源电压从低到场2. 7v一直到高达30v范围内也能工作。这样就允许使用当前工业实际采用的大多数分档电源(split supplies) ,其主要优点是比传统的分档电源放大器

21、增加了输入电压和输出电压范围。op07系列放大器在vxv = 5v v- = 0v和vcm = 2. 5v条件下能达到规定的技术指标,所以非常适合单电源应用。由于该系列运放的电源抑制比(psrr)为130db(0. 3uv/ v) ,共模抑制比(cmrr)为110db (3uv/ v) ,所以其失调电压受电源电压或共模电压的影响最小。在 15v双电源工作条件下也完全能够达到规定的技术指标。 图5 op07接成差动放大器的电路输入共模抑制电压范围：op07系列放大器被认为具有从负电源电压到差lv 不到正电源电压的扩展输入共模电压范围。当输入电压稍低于负电源(vee)时这种放大器仍能正常工作。在图

22、5中将op07 系列放大器接成一种差动放大器 ,采用 2. 7v 单电源 ,在两个输入端施加负直流共模电压。然后将 400mvpp输入电压加到同相输入端。测试结果表明输出电压没有任何失真。该电路虽然接有很大的输入电阻器和反馈电阻器 ,但仍保持微功耗工作。 输入过压保护：当放大器的输入电压比vee低一个二极管压降以下或比vcc高一个二极管降以上时,将有一个大电流分别入负电源(v - )或正电源(v + )流到两个输入端,从而会损坏器件。对于op07来说,只要差动电压等于电源电压就不会产生任何问题(见图6) ,因为op07内补有两个串联输入500m限流电阻器,允许输入信号超过电源电压(任一端)3v

23、而不损坏器件通常使进入输入端的电流保持在5ma以下的做法是切实可行的。在这方面还应该说明的是,如果放大器的输入三极管的击穿电压很高,则没有必要在放大器的两个输入端之间加钳位二极管,这是很多精密运放电路设计都必须遵循的一个原则。另外加这种钳位二极管这是许多精密运放电路设计都必须循的一个原则,另外加这种钳位二极管对许多应用(例如精密整流电路和比较器)会产生极坏的影响。由于op07系列具有很大的差动电压能力,所以不必外接这种钳位二极管。图6单位增益跟随器倒相：许多放大器当其中一个输入端或两个输入端的电压超过输入共模电压范围时 ,工作不正常。对放大器传递函数的典型影响是倒相 ,使传递的极性颠倒。在某些

24、情况下 ,这种倒相会使伺服系统闩锁并且对放大器产生永久性损坏或使参数造成不可恢复性改变。许多放大器采用补偿电路来抵制这种作用 ,但是这种方法仅对反相输入端有一定作用。另外 ,这种方法的多数情况 ,仅对超过电源电压大约几百毫伏有效。op07当其中一个或两个输入端的输入电压超过输入共模电压范围时 ,不会出现倒相 ,因为它们带有防止倒相的保护电路。但是 ,我们不推荐对op07输入端连续施加超过电源电压3v以上的输入电压。输出级：cmos输出级具有优良和相当均衡的输出驱动能力 ,并且在轻负载情况下 ,实际的输出摆幅可以差 1mv 不到电源电压。这比所谓满电源双极型输出级的同类放大器好得多。op7 7

25、的电压跟随器工作方式性能稳定 ,而且在单电源工作方式下 ,对信号响应低到1mv 输出短路保护：op07系列放大器的输出级带有短路保护电路 ,防止由于电源意外短路损坏器件 ,只要管芯最高温度不超过长期偏置的极限温度。通常电流高达30ma也不会对器件造成任何损坏。222 运算放大器op07的技术指标和特点美国模拟器件公司（analog devices inc 简称adi）把op07作为精密运算放大器的标准器件，这一系列精密运算放大器具有真正单电源、微功耗和满电源输出的特点。由于他们还具有极低的失调电压、低漂移和低噪声的特点。所以他们是当今不断发展的低电压工业应用的极好选择。op07和其他公司的同类

26、产品例如lt1006、lt1077、opa177、opa277相比有如下特点：低电源电流：每运放300ua 满电源输出：无倒相宽电源工作范围：2.730v 低失调电压：最大100ua低输入偏置电流：10na 低电压噪声：典型值0.4uv单位增益稳定：容性负载1000pf 宽温度范围：-40+85 c输入过电压保护能力：两输入端串入500运算放大器op07主要应用领域有工业仪器仪表、汽车电子、医疗设备、计算机和通信等。例如：传感器放大温度检测器、压力传感器、电子秤、脑电图和心电图机；精密电流测量工业电能表、plc模拟测量模块、电流、电压计；通信系统通信电源控制系统、无线网络终端设备、精密滤波器和

27、比较器。23 放大电路的构成 在该放大电路中 ,采用两级级联放大:第一级选择高精度斩波稳零运算放大器 tlc2652作为小信号的放大。第二级主要由运放 op07 构成 ,作为信号的二级放大及滤波。前置放大电路如图7所示。 可以看出 , tlc2652 构成差分放大电路。从tlc2652 输入端看进去 ,电桥电路可用图 8等效示意图(虚线部分)来描述 ,等效于在放大器反相端和同相端各接 r =500 欧的一个电阻;为了提高电阻的精度和共模抑制比, r2 和 r3 选用精密电阻且取 r19 =r18 =39 k,因此理论上闭环放大倍数约为 a = r3/r = 39000/500 =78倍;c2

28、、c3用来滤除信号上的高频噪音;记忆元件 c4 和 c5 使用绝缘电阻很高的聚酯薄膜电容器 ,容量为0. 1f。电容的一端接到 cxa或 cxb引脚 ,另一端接至vdd-引脚;tlc2652在作直流微弱信号放大时 ,为了进一步减少交流信号干扰 ,在输出端加接一个低通滤波电容 c6 ,容量为 1f ,用以滤除输出信号中的交流成分 ,使输出信号更加平稳;总之 ,为了保证放大器的精度,一是负反馈电阻必须有足够的精度 ,采用精密电阻 ,且电路的闭环增益不能太大;二是必须提高印制板的质量 ,防止印刷板表面的漏电流;三是注意合理布线。图 7 前置放大电路 图 8电桥电阻等效示意图 第二级放大电路完成信号的

29、二次放大和低通滤波的作用。后级放大电路如图 9 所示:图中运放 op07构成了反相放大电路 ,u1 是经 tlc2652 放大之后的电压 ,理论上此放大电路的放大倍数为 b = r1 / r3 = 30k/ 1k = 30倍。c3 、r1 构成 rc低通滤波网络 ,其电路截止频率为 f = 1/ 23r22 3 c13 = 1/ 2 3 30 k 3 0. 01= 530 hz ,符合设计要求(有用信号频率范围主要集中在 0500 hz) ;管脚 7 和 4分别接一个 0. 1f 的瓷片电容 ,用来滤除高频成分;为了减少失调电流,3 脚接 r2 (其阻值约为 r1 和 r3 的并联值 1 k) ;ou t端出来的信号送 a/ d 进行模数转换 ,转换完成送 cpu 进行数字信号处理。3 析实验结果及分 图9 后级放大电路表 3 说明了放大电路输入输出信号的关系。ui 为放大电路输入电压,uo 为放大电路输出电压。其中 ui 是电阻应变传感器电路在张力变化下所产生的微小电压信号。放大电路输入输出实验数据如表 3 所示。根据表 3 中数据 ,用 ma tlab 进行最小二乘法直线拟合。用形如 y = k x + b函数来拟合数据 x1 ,y1 , x2 , y2 xn , yn ,由库函数poly