小信号放大电路

新型的高性能小信号放大器
果 莉，张怀玉，杨 方
（ 东北农业大学工程学院， 黑龙江 哈尔滨 １０３ ） ５００
摘 要：针对设计高质量小信号放大器存在的许多问 题， 文章提出了 一种新型的高 性能小信号放大器，电 路
采用ＩＬ Ｃ 公司生产的运算放大器，设计了一种新电路，结构简单，成本低廉，性能优异。
路。但是小信号检测的特殊性， 直接采用集成化仪 器放大器来作为小信号放大器，仍然存在许多问 题， 例如： 工频 ５ Ｈ 和传感器极化电 ０ ｚ 压等干扰。 前者是以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十 伏， 所以小信号放大器必须有较高的共模抑制比； 后者是由于传感器测量时而产生的误差直流电压， 最大可达几百毫伏，因此小信号放大器的前级增益 不易过高， 或者采用超低频的交流放大器。由于信 号源内阻可达几十千欧姆 、乃至几百千欧姆 ，所 以，小信号放大器的输人阻抗必须在几兆千欧姆以 上。综上所述， 设计高质量的小信号放大器有许多 技术困难，因此， 设计高性能的小信号放大器一直
路数
Ｒｏ ｔｓ ｕｅ
要求范围
Ｒ ｑｅ ｒ ｇ ｅｕｓ ａ ｅ ｔ ｎ
０ ２４ － ． ｍＶ
实测范围
Ａ ｔ ｌ ａｕｅ ｇ ｃ ａ ｍ ｓｒ ｒｎｅ ｕ ｅ ａ
０ ２６ ． ． ｍＶ
第一路
Ｆｒｔ ｕｅ ｉ ｒ ｔ ｓ ｏ
第二路
Ｓ ｃ ｎ ｒｕｅ ｅ ｏ ｄ ｏ ｔ
０ ４ ８ Ｖ － ． ｍ
１ 方案二 ． ２
１ 整体设计方案论证与比较
小信号测量范围在几十微伏一 十几毫伏之间， 频率在几百赫兹左右，几乎接近直流信号。所以 要实现较好的放大效果则对测量放大电路参数要 求较高。因此 ，测量放大电路 的选择十分关键 。 在选择电路时需注意 ３ 点： 一般传感器的内阻 ① 极高，配置的放大电路必须具有很高的输人阻抗 ；
收稿日 ０３ １－４ 期：２０－２２ 作者简介： 果莉 （ ６－， １ ２） 女， ９ 哈尔滨人， 硕士， 东北农业大 学工程学院电器工程系高级工程师，主要研究方向为电子技术应用
及 自动化。
如图２ 所示。采用三级放大。第一级仍然选用 ＩＬ６０ 差动输人， Ｃ ７５ ， 但电压放大倍数降为 １ 倍。 ０ 第二级选用 ＩＬ６０ Ｃ７５ 为反相输人， 并在第二级的输
据采集误差。同时这种结构具有高输人阻抗 、高 共模抑制比、低失调电压和低温漂等优点，能够 使测量精度达到一般的工业要求。故选择本电路 为小信号放大电路［ ｔ ｚ ｝ ｏ
２ 电路设计与分析
２ 总体设计思路 ． １
第二级选用 Ｉ ７５ 组成差分放大级， Ｃ ６０ Ｌ 将差分输 入转成单端输出。第三级选用 Ｏ ０ 、反相输人。 Ｐ７ 由于电路结构对称，它们的漂移和失调都有相互 抵消的作用， 减少了由于增益相关误差带来的数
０ ７２ － ． ｍＶ
０ ００ －１ ． ｍＶ
第四路
Ｆ ｕ ｈ ｕｅ ｏｒ ｒ ｔ ｔ ｏ
０－ １５ ｍＶ －１ ．２
０ ２０ －１ ． ｍＶ
如果能使运算放大器的输人端没有共模信号， 或者虽然有共模信号，但能使它在放大器输出端
不产生误差信号 ，则放大器有限的共模抑制比， 不会带来共模误差。因此， 从电路技术来看，有 两种方法可以提高现有电路的共模抑制能力。一 种是设法使输人信号中的共模信号不能传递到放 大器的输人端，另一种是设法减弱输人端的共模 信号在输出端产生的误差电压。这里采用了后一 种电路技术来提高放大器的共模抑制能力。 共模信号在放大器输出端产生误差电压的充 要条件是：运算放大器各级电路结构不完全对称 ； 在共模输入电压作用下 ，各级电路也出现了共模 信号。所以如果使放大器的电源电压随共模输人 电压浮动， 从而使各级偏置电压都跟踪共模输入 电压， 则各级的共模信号就能大大削弱．共模输
第 级ｍ ） 一 （ｖ
第 级ｍ ） 二 （ｙ
第 级ｍ） 三 （ｖ
实测值
Ａｃｕ ｌ ａｕｅ ｌｅ ｔａ ｍｅｓ ｒ ｖ ｕ ａ
Ｆｓｄ ｒ ｉ ｅｅ ｒ ｇｅ ｔ Ｓｏ ｄ ｒ ｅｎ ｅｅ ｃ ｄ ｅ ｇ Ｔｉ ｄ ｒ ｈｄ ｅ ｒｅ ｇ ｅ
进行。
３ 最大输入信号的测试 ． １
测试分为 路 ４ ，输人信号由信号发生器模拟， 信号频率为 １０ ， 调整输人信号的幅值， ０Ｈ ｚ 在输 出电压不失真的情况下 ，用交流毫伏表测出输人 电压最大值（ 有效值） 。测试结果如表 １ 所示。
表 １ 输入信号的测试范围
Ｔ ｂｅ Ｍｅｓｒ ｒｎｅ ｉｐ ｔ ａ ａｌ １ ａｕｅ ｇ ｏ ｎ ｕ ｓ ｎｌ ａ ｆ ｉ ｇ
果
莉等 ：新型的高性能小信号放大器
图 １ 测量放大电路（ 方案一 ） Ｆｇ １ ｉ ｕ ｄ ｇａ ｏ ｓｒｅ ａｄ ｇｉｃｔ ｎ ｉ ． Ｃｒ ｉ ｉ ｒｍ ｕｖｙ ｍａｎ ｉ ｉ ｃ ｔ ａ ｆ ｎ ｆａｏ
图 ２ 测量放大电路 （ 方案二 ）
Ｆｇ ２ ｉ ｕｔ ｉ ｒｍ ｓｒｅ ａｄ ｇｉｃｔ ｎ ｉ ． Ｃｒ ｉｄ ｇａ ｏ ｕｖｙ ｍ ｎｉ ｉ ｃ ａ ｆ ｎ ａ ｆａｏ
经实际测试说明， 输人信号的测试范围满足 设计要求， 并且比 设计要求的范围大。
３ 放大倍数的测试 ． ２
放大倍数的测试分四路进行，输人信号由信 号发生器模拟，信号频率为 １０ ， ０ Ｈ 在输出电压 ｚ
不失真的 情况下， 用交流毫伏表测出 输入与 输出
的电压有效值。
各路测试结果见表 ２ ０ 以上数据表明， 各路电压放大倍数与各级电 压放大倍数的实测值近似理论值，满足设计要求。
受到国内外专家和学者的高度重视［ ’ ０
② 产生的信号很微弱， 放大电路要具有极低的输 人偏置电流和极高的输人电阻； ③防止外界干扰， 降低噪声和失调电压、电流， 要选用同相和差动放 大电路构成的精密差动放大器。所以小信号系统测 量放大电路的前置放大级应有较高的共模抑制比， 同时测量放大电路的前级增益也不能过大， 这是系 统设计的关键所在。 １ 方案一 ． １ 如图 １ 所示。采用两级放大。 第一级选用高性 能的运算放大器 ＩＬ６０ Ｃ ７５ 、差动输人。第二级选用 普通运算放大器 Ｏ ０ 、同相输人。因为 Ｏ ０ 的 Ｐ７ Ｐ７ 放大倍数不能超过 １ 倍 ，所以前级放大倍数至少 ０ 为 １ ０ 倍。本电路的特点是电路简单。具有较 ０２０ 高的共模抑制比， 但是随着第一级放大倍数的增 高，电路本身的噪声会增大， 抑制零漂和抗干扰的 能力也会下降，这样就会造成输出信号的不稳定。 输入信号越小 ，输出信号的波动幅度相对也就越 大， 测量精度随之也越差。
第 ３ 卷 第４ ５ 期
２０ 年 ８ ０４ 月 文童编号 １０－ ３９２０）４ ０ ８－ ４ ０５ ９６ （０ ４０－ ４０ ０
东 北 农 业 大 学 学 报
３（ ： － ８ ５ ）４ ０４ ３ ４ ８ Ａ ｇ２０ ｕ． ４ ０
Ｊ ｒ ｌ ｏｈａ Ａ ｕｕａＵ ｉ ｒｔ ｏｎ ｏＮｒ ｅ ｔ ｌｒ ｎ ｅ ｉ ｕ ａ ｆ ｓ 幼ｃ ｔ ｌ ｖ ｓｙ ｔ
高共模抑制测量放大器［ ４ １ ０ 抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的
人电压在放大器输出端产生的误差电压就可大幅
度减小 ，这相当于提高了放大器的共模抑制能力 ， 电路如图 ３ 所示。
３ 调试总结
为验证放大电路的性能 ，找出理论设计与实 际之间的差距，在此对电路输入信号的范围、 各 级放大倍数、通频带进行测试，测试均分为四路
一般集成化仪器放大器具有很高的共模抑制 比和输人阻抗，因而传统的电路设计中都是把集 成化仪器放大器作为前置放大器。然而，绝大多 数的集成化仪器放大器，特别是集成化仪器放大 器 ，它们的共模抑制比与增益相关 ：增益越高，
万方数据
・４ ２ ・ ８
东 北 农 业 大 学 学 报
第３卷 ５
共模抑制比越大［ ３ １ 。由于小信号放大外界干扰比较 大，前置放大器的增益只能在几十倍以内，这就 使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模 抑制比不可能很高。为了实现高性能小信号放大， 本文提出了如图 ３ 所示的电路结构。 ２ 原理分析与说明 ． ２ 测量放大器基本原理在工业 自动控制等领域 中，常需要对远离运放的多路信号进行测量 ，由 于信号远离运放 ，两者地电位不统一 ，不可避免 地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人的误 差。为了抑制干扰， 运放通常采用差动输人方式。 对测量电路的基本要求是： ①高输入阻抗，以抑 制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差；② 高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引人的误差； ③高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电 平的宽范围。 以上这些要求通常采用多运放组合的电路来 满足，典型的组合方式有以下几种：同相串联式 高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器 ，
图３测量放大电路（ 方案三 ） Ｆｇ３ ｒｕ ｄ ｇａ ｏ ｓｒｅ ａｄ ｇｉｃｔｎ ｉ Ｃ ｃｉ ｉ ｒｍ ｕｖｙ ｍ ｎ ａｏ ． ｉ ｔ ａ ｆ ｎ ａ ｆ ｉ ｉ
压输出，经过多级放大后 ，会导致输出电压的波 动程度增大， 测量精度下降。 １ 方案三 ． ３ 如图 ３ ，采用三级放大。第一 、二级是 所示 由三个集成运放组成的通用数据放大器，它是一 种高增益、高输入电阻和高共模抑制比的直接祸 合放大器。第一级选用两片 ＩＬ６０ Ｃ ７５ 芯片，组成 同相输人方式 ，在输出端均接有阻容滤波电路。
０ ６０ － ． ｍＶ
同相并联电路之后 ，再接一级差动运算放大器， 它不仅能割断共模信号的传递， 还将双端变单端， 适应接地负载的需要，它具有输人阻抗高 、 增益 调节方便 、漂移相互补偿 ，以及输出不包含共模 信号等优点， 其代价是所用组件数目较多，共模
抑制能力略有下降。
第三路
Ｔ ｉ ｍｕｅ ｈｒ ｄ ｔ
人端加人阻容滤波电路 ，第三级选用 Ｏ ０ 、反相 Ｐ７
输人。该方案克服了方案一的缺点， 减少了电路自 身的噪声干扰，抑制零漂和抗干扰能力也得到了 改善。但是其输人电阻不高，并且差分输人时对 元器件的对称性要求比较高，如果元件不匹配 ，
不仅会给计算带来附加误差 ，而且将产生共模 电
万方数据
第３ 期
３ 通频带的测试 ． ３
测量分为 路进行，保证每一路的输入信号 ４ 均为 ２ ｍ Ｖ不变，然后增大和减少输人信号的频
率， 找出上、 下限频率ｆ和人 Ｈ 。令Ａ 为中 、 频电压
放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下
降到中频放大倍数的 １ 厄 倍，即０ ０ Ａ ／ ｅ Ｖｓ ． ７ 所对 ７ ｖ
关键词：小 信号； 放大系 统； 测量； 共模抑制比
中图分类号：Ｔ ７２ ＇ Ｎ ２．７ ７ 文献标识码：Ａ
对于测量极微弱电信号检测仪器，为分辨出 ｐ 级电 Ａ 信号， 要求具有较高的输人阻抗（ １ ｆ １ ５ ０ ｌ ）
和极低的偏置电流（．ｐ ） ０ Ａ 的差动输人仪器放大电 １
万方数据
第３ 期
果 莉等： 新型的高性能小信号放大器
４８ ３
表 ２ 放大倍数测试数据 Ｔ ｂ ２ ｇｉｃｔｎ ｅ ｒｕｅ ａ ｒ ｄｔ ａｌ Ｍａｎ ａｏ ｔ ｓ ｔｍ ｓ ｅ ａ ｅ ｉ ｆ ｉ ｉ ｍ ｏ ｅｕ ａ
路数
Ｒｏ ｔｓ ｕｅ
总放大倍数 输出 Ｔｔ ａ ｐｆｒ ｏ ｌ ｌｉ ａ ｍ ｉｅ Ｑｔ ｔ ｕｕ ｐ
第一路
Ｆ ｒｔ ｕ ｅ ｉ ｒ ｔ ｓ ｏ １． ０２ ２ ８ ０
理论值 Ｔ ｅｒ ｌ ｈｏ ｖ ｕ ｙ ａｅ
第二路
Ｔ ｉ ｒｕｅ ｈｒ ｏ ｔ ｄ
５ ． １７
１３ ００
源自文库
第只路
Ｔ ｉ ｒｕｅ ｈｒ ｏ ｔ ｄ
８ ． ２０
１７ ６０
第四路
Ｆ ｕ ｈ ｕｅ ｏｒ ｒ ｔ ｔ ｏ