微小信号放大电路设计

第 27 卷第 6 期增刊 　 2006 年 6 月 仪 　器 　仪 　 　学 　报 Chinese Journal of Scientific Inst rument Vol. 27 No. 6 J une. 2006 　 微小信号放大电路设计 孟丽霞 　于林丽 　濮钰麒 　王 斌 　林燕凌 　居滋培 (上海理工大学 　上海 　200031) 摘 　要 　热探测传感器当信号较小时 ,其输出电信号只有几十微伏 ,需要放大几万倍 ,才能满足 A/ D 转换的需要 ,本文介绍 的微小信号放大电路不仅满足了电压放大的要求 ,而且设计了相关的电路 ,避免了信号失真 ,以及高频、低频和 50 Hz 市电的 干扰。该电路可广泛适用于仪表的信号处理中。 关键词 　电路 　信号 　滤波 Design of amplifying circuit for tiny signal Meng Lixia 　Yu Linli 　Pu Yuqi 　Wang Bin 　Lin Yanling 　J u Zipei (Universit y of S hanghai f or S cience and Technolog y , S hanghai 200031 , China) Abstract 　To a heat detector , when the signal is tiny , the output elect rical signal will be only ten times of v , which must be amplified ten thousand times to meet the need of A/ D transformation. The amplifying circuit for tiny signal presented here can not only amplify the voltage , but can also avoid signal distortion caused by disturbance and the disturbances of high frequency , low frequency , and 50 Hz public frequency. It is widely used in signal processing of inst rument s. Key words 　circuit 　signal 　filter 1 　引 　　言 热探测元件是热探测传感器的核心 ,这类元件均 采用金属氧化物作为材料。由于生产和制造环境的影 响 ,导致材料性能十分不稳定 ,以至于制造出来的热传 感器的响应均匀性差别很大。目前采用从大量的同类 元件中 ,挑选出响应性能一致的产品的办法 ,来解决响 应均匀性差别的问。因此筛选就成为至关重要的工 作 ,而开发一个高精度的测试系统是完成性能测试的 关键。该测试系统由一个激光器并经光学系统生成 φ≤0. 1mm光斑照射在热探测元件表面 ,探测器有微 小的信号输出 ,通过放大器将基波信号选出 ,并放大到 A/ D 转换板能够接受的信号范围 ,送入计算机 ,计算 机对该点的响应数据记录并进行处理。 热敏传感器输出的信号极为微弱 , 只有 1 ～ 100μvpp ,必须要有高增益的放大电路 ,将传感器输出 信号放大至后端 A/ D 电路所能接受的范围 ( 0 ～ 10V) 。为了避免干扰造成信号失真 ,电路中加入了高 通、低通滤波电路 ,以及 50 Hz 陷波滤波器 ,以降低高 频、低频噪声及 50 Hz 市电干扰。同时 ,在结构设计 上 ,使传感器直接与前置放大电路连接 ,以避免微弱信 号传输中产生的干扰 ,整个放大电路的输出用屏蔽线 缆与采集电路相连。此放大电路提供 100000 倍的放 大率及 0. 15～100 Hz 的通频带宽范围。放大电路的 原理框图如图 1 所示。 图 1 　放大电路原理图 2 　仪表放大电路的设计 该电路主要功能为将热敏传感器输出的信号以差 模方式进行放大 ,此前置放大器关系到整个放大电路 的优劣 ,必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共 模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能。故本设计 采用 L M725CN 带自动失调补偿的三运放测量放大电 　第 6 期增刊 微小信号放大电路设计 1013　 路 ,作为此放大电路的前级放大器 ,这种形式的仪表放 大器 ,其输入阻抗约为 30 ～5000MΩ ,共模抑制比 (CMR) Rdb = 74～110dB ,输入失调电压 Vos = 0. 2mV , 失调电压温漂 r = 0. 25～10μV/ ℃。该电路如图 2 所示。 图 2 　带自动失调补偿的三运放测量放大器电路 改变 R1 阻值可得到不同的 KUD 值。三运放两 输入端均为同相输入 ,输入阻抗一般在 10MΩ以上。 三运放测量放大器具有高共模抑制比 ,高输入阻抗 ,增 益可调等特点。 在三运放中增加了一个补偿网络 ,如图中的虚线 部分。运放 A4 和电阻 R ,电容 C 组成一个积分器 ,其 作用是将运放 A3 输出端的直流成份经积分、反相后 反馈到其同相输入端 ,从输入信号中减去 ,从而消除了 失调电压的影响。 3 　滤波器的设计 为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号 ,加 入了此低通滤波器将之滤除。低通滤波由双运放集成 电路 OP2177 构成。OP2177 具有高精度、低偏置、低 功耗等特点 ,片内集成两个运放电路 ,可灵活构成各类 放大和滤波电路。低通滤波电路如图 3 所示。 图中 R10、R11、U6B、C8、C9 构成二阶压控有源低 图 3 　低通滤波电路 通滤波器 ,为不损失其高频成分 ,截至频率设计为 : f = ω2π= C8 C9 R10 R11 2π 同样 ,为了消除直流电平和低频信号干扰 ,避免信 号经后级放大造成饱和以及信号失真的出现 , 用 OP2177 设计了二阶高通滤波器。 4 　主放大器电路的设计 主放大电路的作用是将传感器的信号放大到 A/ D 转换器所能接受的范围 ,为避免信号失真 ,就将主放 大电路分成前后两级 ,分别连接与 50 Hz 陷波器的输 入输出端 ,并提供各 100 倍的放大增益。因传感器输 出信号只有 1～100μvpp ,而 A/ D 转换信号要求 0～ 10V ,因此整个信号放大电路的放大倍数需要 100000 倍左右。前置放大电路的放大倍数约 10 倍左右 ,因此 主放大电路设计为两级放大 ,每级放大倍数 100 倍左 右 ,即 G = 1 + R12/ R13≈100。 5 　50 Hz 陷波电路的设计 工频干扰是信号的主要干扰 ,虽然前置放大电路 对共模干扰有较强的抑制作用 ,但有部分工频干扰是 以差模方式进入电路的 ,所以必须滤除。本设计采用 集成运放双 T 反馈选频放大器。 6 　放大电路调试 探测器输出的信号输入放大器输入端 ,通过示波 器测量放大器输出端的信号 ,观察放大电路的增益。 探测器输出只有 40μvpp左右 ,而放大器输出波形有 4. 72vpp ,说明放大电路确实产生了 10 万倍的增益 ,达到 了设计要求。由示波器还可看出响应信号和调制脉冲 信号是同频变化的信号 ,放大器输出的响应信号中并 没有夹杂其它频率的信号 ,说明放大电路的频率响应 特性良好。 　　参考文献 [1 ] 　谭建成. 电机控制采用集成电路 [ M ] . 北京 : 机械工 业出版社 , 1997. [2 ] 　曾国泰. 脉冲与数字电路 [ M ] . 重庆 : 重庆出版 社 ,2001.