小信号放大电路设计

浙江理工大学学报，第 24卷，第 6期，2007年 11月 Journal of Zhejiang Sci—Tech University Vo1．24，No．6，Nov．2007 文章编号：1673—3851(2007)06—0661—04 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分析，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 ，井给 出了相应 的实验数据 。 关键词 ：电阻应 变传感 器；小信号 ；TI C2652；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 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特点 1．1 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 图 1 电路 总体框 图 算放大器 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 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(1984一 )，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。 维普资讯 http://www.cqvip.com 662 浙 江 理 工 大 学 学 报 2007年 第 24卷 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R 一R 一R。一R ，当受到压力和拉 力(分别变化 AR ，AR ，AR。，AR )作用的时候，其桥臂电阻值分别变为 R 一 AR ，R + AR ，R。+AR。，R ～AR ；设流过 R 和 R 的电流分别为 和 ，可 得到 ： U。= J (R + AR。)一 J (R 一 AR ) 又 U。一 I2(R + △R )一 I (R1～ △R ) 而 J— I + I2 根据式(1)、式(2)、式 (3)可推出： (1) (2) (3) 图 2 电阻应变传感器电路 Uo— IE(R2+△R2)(R3+△R3)一(尺 一△R1)(R 一△R4)1／(R1+R2+R3+R +△R2+△R3一△R4一△R1) (4) 由于分母中(AR +AR 一AR 一AR )很小，其值可以忽略。其中初始条件：R 一R 一R。一R 一R； 当各桥臂阻值变化 AR 一AR ：AR。一AR 一AR时，代人上式并整理得输出电压： U。一 △R × J (5) 式(5)明：当恒流源供电时，其输出信号 L，。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 输出~gN ／,v 799 796 793 790 787 783 0．7 1 2 5 10 20 30 40 777 769 740 650 504 2O1 — 1O5 — 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 3 V的幅度变化。表中数据经电平位移可得输出电压范围约 为O～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：NFT )丁A 一1+(NF 一1)+(NF。一1)／Av +⋯ +(NF 一1)／Av Av。⋯AvM L2j，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 TI 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题的廉价。 2．1 ILL：2652 TI C2652是德州仪器公司使用先进的 I incMOSTM工艺生产的高精度斩 波稳零运算放大器㈨ ，其封装如图 3所示 。在 TLC2652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 I inCMOS工艺和低噪声的 MOSFET，输入噪声 被大大减小 ]，TI 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 。 图 3 TI C2652封装图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 楼 钢等：小信号放大电路设计 663 表 2 TI C2652主要技术性能 技术名称 参数值 输入失调 电压 失调电压漂移 开环电压增 益 共模抑制 比 电源电流 0．5 V(典型值)，1 V(最大值)； 0．003“v／℃ (典型值 )，失调电压长 期漂移为 0．003 V／月； 135 dB(最小值)，150 dB(典型值)； 120 dB(最小值)，140 dB(典型值)； 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 TI C2652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4 所示 。 C 图 4 前置放大电路 可以看 出，TI C2652构 成差 分放大 电路 。从 TLC2652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一500欧的一个电阻；为了提高电阻的精度和共模抑制比，R。和R。选用精密电阻且取R 。一R 一 39 K，因此理论上闭环放大倍数约为 a—R。／R一39000／500—78倍；C2、C。用来滤除信号上的高频噪音；记 忆元件 c 和 c 使用绝缘电阻很高的聚酯薄膜电容器，容量为 0．1 F。电容 的一端 接 到 C 或 C 引脚 ，另 一端 接 至 Vo。一 引脚 ； TI 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 c ，容量为 1 pF，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。 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 OP07构成 了反相 放大电路 ，U 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—R ／R。一30k／lk一30倍 。C。、R 构 成RC低通滤波网络，其电路截止频率为，一1／2T~*R。。*c 。 一 1／2兀*30K*0．01 一530 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 0．1 pF的瓷片电容 ，用来滤除高频成分 ；为了减少失调 电流 ]，3 脚接R。(其阻值约为R 和R。的并联值 1K)；OUT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。 为放大 电路输入电压 ，L， 为放大 电路输 出电压 。其 中 L， 是 电阻应 ] j 图 5 电桥电阻等效示意图 图6 后级放大电路 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 MATLAB进行最：b----乘法直线拟合Ⅲ。用形如 一是 +6函数来拟合数据{{ ， Y }，{ z，Y。}．．·{ ，Y }}，由库函数 polyfit(x，Y，72)实现，在本应用中参数 是输入电压数据向量，参数 Y是 维普资讯 http://www.cqvip.com 664 浙 江 理 工 大 学 学 报 2007年 第 24卷 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：2606x+0．7986(单位 V)。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I-J]．微电子学，2004，34(4)；432—438 1-3]张 斌．采用 TLC2652的高精度放大器I-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I-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． 1-6]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．MATI 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