小信号放大电路设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 浙江理工大学学报 ,第 24 卷 ,第 6 期 ,2007 年 11 月 Journal of Zhejiang Sci2Tech U niversity Vol . 24 , No . 6 , Nov. 2007 文章编号 : 167323851 (2007) 0620661204 收稿日期 : 2007 - 06 - 13 基金项目 : 国家自然基金 (50675207) ,浙江省自然科学基金 ( Y104615) 作者简介 : 楼　钢 (1984 - 　) ,男 ,浙江浦江人 ,硕士研究生 ,主要从事微机检测和控制技术方面的研究。 小信号放大电路 楼 　钢 , 李 　伟 , 邓学博 (浙江理工大学信息电子学院 , 杭州 310018) 　　摘 　要 : 在纺织纱线的张力测试中 ,为了对小张力进行有效的测试 ,利用电阻应变传感器作为信号转换器件 ,通 过对其输出信号进行 ,设计出相应的小信号放大滤波电路。设计应用了高精度斩波稳零运算放大器芯片 TLC2652 作为小信号放大电路的核心器件 ,实验证明其放大效果理想 ,并给出了相应的实验数据。 关键词 : 电阻应变传感器 ; 小信号 ; TLC2652 ; 放大滤波 中图分类号 : TN721. 3 　　　文献标识码 : A 0 　引 　言 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。本文应用高精度斩波稳零 运算放大器芯片 TL C2652 设计小信号前置放大电路 ,用芯片 O P07 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特点 1. 1 　电路系统框图 图 1 　电路总体框图 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模块提供稳定可靠的电压 ,本 文不做详细介绍 ;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 TL C2652 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。 1. 2 　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 ,构成等臂电桥电路。当受力时应变片产生形变 , 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 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2 　电阻应变传感器电路 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[1 ] ,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ΔR1 ,ΔR2 ,ΔR3 ,ΔR4 ) 作用的时候 ,其桥臂电阻值分别 变为 R1 - ΔR1 , R2 +ΔR2 , R3 +ΔR3 , R4 - ΔR4 ;设流过 R1 和 R2 的电流分别 为 I1 和 I2 ,可得到 : U0 = I1 ( R3 +ΔR3 ) - I2 ( R4 - ΔR4 ) (1) 又 U0 = I2 ( R2 +ΔR2 ) - I1 ( R1 - ΔR1 ) (2) 而 I = I1 + I2 (3) 根据式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 可推出 : U0 = I[ ( R2 +ΔR2 ) ( R3 +ΔR3 ) - ( R1 - ΔR1 ) ( R4 - ΔR4 ) ]/ ( R1 + R2 + R3 + R4 +ΔR2 +ΔR3 - ΔR4 - ΔR1 ) (4) 由于分母中 (ΔR2 +ΔR3 - ΔR4 - ΔR1 ) 很小 ,其值可以忽略。其中初始条件 : R1 = R2 = R3 = R4 = R ; 当各桥臂阻值变化ΔR1 = ΔR2 =ΔR3 = ΔR4 =ΔR 时 ,代入上式并整理得输出电压 : 　　　　　　　U0 =ΔR ×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 5 mA ;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 测试项目 测试结果 质量/ g 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 7 1 2 5 10 20 30 40 输出电压/μV 799 796 793 790 787 783 777 769 740 650 504 201 - 105 - 406 　　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 3μV 的幅度变化。表中数据经电平位移可得输出电压范围约 为 0～1. 2 mV。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 　小信号放大电路设计 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 :N FTOTAL = 1 + (N F1 - 1) + (N F2 - 1) / AV1 + ⋯+ (N Fn - 1) / AV1 AV2 ⋯AVM [2 ] ,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 TL C2652 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的廉价。 2. 1 　TL C2652 图 3 　TLC2652 封装图 TL C2652 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[3 ] ,其封装如图 3 所示。在 TL C2652 内部 ,有主放大器 和较零放大器 ,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 MOS2 FET ,输入噪声被大大减小[4 ] , TL C2652 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。 266 　　　　　　　　　　　　　　浙 　江 　理 　工 　大 　学 　学 　报 2007 年 　第 24 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4 　前置放大电路 　　　　　表 2 　TL C2652 主要技术性能 技术名称 参数值 输入失调电压 0. 5μV (典型值) ,1μV (最大值) ; 失调电压漂移 0. 003μV/ ℃(典型值) ,失调电压长 期漂移为 0. 003μV/ 月 ; 开环电压增益 135 dB (最小值) ,150 dB (典型值) ; 共模抑制比 120 dB (最小值) ,140 dB (典型值) ; 电源电流 1. 5 mA ; 2. 2 　放大电路设计 在设计该放大电路中 ,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 TL C2652 作为小信号的放大。第二级主要由运放 O P07 构 成 ,作为信号的二级放大及滤波。前置放大电路 如图 4 所示。 可以看出 , TL C2652 构成差分放大电路。从 TL C2652 输入端看进去 ,电桥电路可用图 5 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 、C3 用来滤除信号上的高频噪音 ;记 图 5 　电桥电阻等效示意图 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. 1 μF。电容的一端接到 CXA 或 CXB 引脚 ,另一端接至 V DD - 引脚 ; TL C2652 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 1μF ,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[5 ] ;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 6 　后级放大电路 第二级放大电路完成信号的二次放大和低通滤波的作 用。后级放大电路如图 6 所示 :图中运放 O P07 构成了反 相放大电路 ,U1 是经 TL C2652 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/ 2π3 R22 3 C13 = 1/ 2π3 30 K 3 0. 01μ= 530 Hz ,符合设计要求 (有用信号频率范围主要集中在 0～500 Hz) ;管脚 7 和 4 分别接一个 0. 1μF 的瓷片电容 ,用来滤除高频成分 ;为了 减少失调电流[6 ] ,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 　实验结果及分析 表 3 说明了放大电路输入输出信号的关系。U i 为放 大电路输入电压 ,U o 为放大电路输出电压。其中 U i 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 TL AB 进行最小二乘法直线拟合[7 ] 。用形如 y = k x + b函数来拟合数据{ { x1 , y1 } ,{ x2 , y2 } ⋯{ x n , y n} } ,由库函数 polyfit ( x , y , n) 实现 ,在本应用中参数 x 是输入电压数据向量 ,参数 y 是 366第 6 期 楼 　钢等 :小信号放大电路设计 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 3 　放大电路输入输出实验数据 测试项目 测试结果 输入电压 U i /μV 3 6 16 29 59 149 295 598 904 1205 输出电压 U o/ mV 7 14 39 76 154 391 778 1561 2341 3143 相应的输出电压数据向量 , n 为拟合多项式的阶数 ,直线拟合取 n = 1 即可。 通过以上方法可得拟合直线 : y = 2606 x + 0 . 7986 (单位μV) 。可以看出 ,放大电路的放大倍数大约为 2606 倍 ,输出电压符合量程要求并可以满足 A/ D 转换要求。通过表 3 数据及拟合直线可以计算出该直线 拟合的非线性度约为 0. 47 % ,线性度良好。 4 　结束语 经过实验分析 ,小信号放大电路满足设计的放大量程要求 ,放大后数据线性度良好。并根据实验数据得 出了拟合直线 ,建立的模型为之后的数字信号处理奠定了基础。实践表明该放大电路可以很好的应用在小 信号测试系统中。 参考文献 : [1 ] 许永植 , 滕 　军. 传感器系统的误差差动补偿技术[J ] . 国外建材科技 , 2004 , 25 (5) : 71 - 74. [2 ] 向宏平 , 杜惠平. CDMA 射频前端低噪声放大器电路设计研究[J ] . 微电子学 , 2004 , 34 (4) : 432 - 438. [3 ] 张 　斌. 采用 TLC2652 的高精度放大器[J ] . 电子产品世界 , 2003 (13) : 39 - 40. [4 ] 叶昌茂. 实用直流放大器的设计[J ] . 电子工程师 , 2005 (10) : 30 - 32. [5 ] Adel S. Sedra ,等. 微电子电路[ M ] . 第五版. 周玲玲等译. 北京 : 电子工业出版社 , 2006 : 132. [6 ] 赛尔吉欧 ·弗朗哥. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[ M ] . 刘树棠等译. 西安 : 西安交通大学出版社 , 2004 : 243. [7 ] 唐向红. MA TLAB 及在电子信息类课程中的应用[ M ]. 北京 : 电子工业出版社 , 2006 : 92 - 93. Designing of Small2Signal Amplifing Circuit L OU Gang , L I Wei , D EN G X ue2bo (School of Information and Elect ronics , Zhejiang Sci2Tech University , Hangzhou 310018 , China) Abstract : In order to measure small tension effectively in t he test system of spinning yarn , the resist2 ance st rain sensor is used as t he converter . And t he small2signal amplifying and filter circuit s are designed respectively through st udying t he characteristic of outcoming signal of resistance st rain sensor. In addi2 tion , t he application of t he high2precision and zero2clipper OP TL C2652 as the key part in t he small2signal amplifying circuit s is testified by t he experiment . Experimental data is listed to testify t he ideal result of t he circuit s. Key words : Resistance st rain sensor ; Small2signal ; TL C2652 ; Amplifying and filtering (责任编辑 : 陈和榜) 466 　　　　　　　　　　　　　　浙 　江 　理 　工 　大 　学 　学 　报 2007 年 　第 24 卷