基于AD620芯片的运算放大器

基于AD620芯片的运算放大器

一、设计要求及目的

设计一个简单的运算放大电路，信号输入有效频率2KHz以下，放大倍数250-300之间。为抑制随机噪声，信号放大后再经过一个简单一阶RC低通滤波器，在不损坏有效信号的同时，最大限度滤除噪声。

二、放大电路介绍

放大电路是指增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。

现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。

三、AD620芯片介绍

AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620引脚图采用8引脚SOIC和DIP封装，

尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 µV)和低失调漂移(最大0.6 µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。

由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz 频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1 pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

AD620 由传统的三运算放大器发展而成, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽(±2. 3～±18 V ) , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620 的单片结构和激光晶体调整, 允许电路元件紧密匹配和跟踪, 从而保证电路固有的高性能。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用β工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620 的两个内部增益电阻为

24.7KΩ, 因而增益方程式为

G =49.4 KΩ/RG + 1

对于所需的增益, 则外部控制电阻值为

RG =49.4/(G - 1)kΩ

AD620的引脚图如图一所示：

图1 AD620芯片引脚图

四、运算放大器电路原理图

运算放大电路的原理图如图二所示：

图2 运算放大电路原理图

如上图所示，4、7引脚分别接负正9V电源为AD620提供双电源供电，所以VOUT电压是处于正负9V之间，但因为AD620不是轨到轨运放，所以VOUT 不能达到正负9V。3、2引脚分别是差模输入信号的正负输入端，其与地之间接

一个10K的电阻是为AD620提供偏置电流。5引脚是参考端，有VOUT=(VIN+-VIN-)G+REF，我们这里将参考端接地。1、8之间串联的电阻是为改变电路增益，这里将两个390R的电阻并联，并联后的阻值为195R,所以此放大电路的电压增益为G =49.4 KΩ/195R + 1,G=254.3。6引脚是放大电路的输出端。

该运算放大电路的仿真结果如下图所示：

图3 放大电路仿真结果

可以看出，输入电压的幅度为20mv，经过放大电路放大后的电压幅度为5.08v左右，放大倍数为254

02

.5=

÷，这和设计的放大倍数G=254.3相差很

.0

08

小。

五、一阶低通滤波器设计

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够

通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。

本设计中的滤波器的作用是消除高频噪声的干扰。由于传感器输入来的信号是低频信号，信号频率在2KHZ 以下，为了消除高频噪声的干扰，需在信号的输出端串接个低通滤波器。为使电路简单便于应用，这里串接一阶RC 低通滤波器，并将截止频率设计在1.8K 左右。其电路图如图三所示：

图4 一阶低通滤波器电路图

由RC f c π21=可得该低通滤波器的截止频率为61022.039021-⨯⨯=πc f =1.85K 。 用multisim12仿真出的结果如图四所示，可以看出其-3dB 点大概是1.85K 。

图5 一阶RC 低通滤波器波特图

六、总结

该基于AD620芯片的运算放大电路能有效地放大输入信号，而后置的一阶低通滤波器能消除很大一部分噪声的干扰，该设计能满足预期实验要求。