一种传感器微弱信号放大电路的设计_蒋锟林

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12 输入电阻： 10 Ω。（ 7） 单位增益带宽（ GBW） ： 2 MHz。
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一种典型应用电路的设计
一种声频信号采集系统的前置放大电路如图 2 所示。其工作频率范围为 2 Hz ～ 20 kHz， 最小输入信 号幅度≥10 μV。 3． 1 电路工作过程 经高频同轴屏蔽电缆引入的音频微弱信号通过 2 图 中的 Ｒ1 加到 IC1 的反相输入端 （ 4 脚） ， 为防止 故在其输入端 输入信号幅度过大导致损坏 ICL7650， VD VD 。 设置了保护二极管 信号经 ICL7650 主 1 和 2 放大器的 40 dB 的放大和调零放大器的斩波稳零， 使 输入信号放大到≥1 mV 的幅度。为便于显示器或记 将 IC1 的输出信号由 Ｒ3 和 C4 录仪进行监测和记录， 构成的低通滤波器对斩波信号频率滤波， 用 IC2 再对 信号放大 30 dB， 使整个放大电路的输出信号的幅度
［ 5 －7 ］ 。 脚） ， 电路将使用内时钟去控制其他电路的工作 （ 2） ICL7650 是一种高精度斩波稳零运算放大
器， 适合于微弱音频输入信号高增益地工作。为保证 放大器的精度， 要求其负反馈电阻 Ｒ2 必须有足够精 且电路的闭环增益不要设置 度和良好的温度稳定性， 太大。由于 ICL7650 的单位增益带宽积为 2 MHz， 故 其主放大器在小信号状况下对带宽最高频率 20 kHz 的闭环增益不得大于 100； 在大信号条件下， 工作带 宽由器件的转换速率 SＲ 参数决定。 （ 3） 使用反相输入端输入信号时， 其同相输入端 不接平衡电阻而直接接地。这是因为在高内阻信号 源的微弱信号放大器中， 外加平衡电阻不仅很难使运
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≥30 mV， 并提供低阻抗输出， 使后续研究和预测使用
更方便直观。
图2
低失调微弱信号放大电路
3． 2
电路使用说明 （ 1） 由 于 ICL7650 的 内 时 钟 使 斩 波 器 工 作 在
放输入电阻平衡， 反而增大电阻噪声。同理， 使用同 相输入端输入信号时， 其反相输入端对地的电阻宜选 数值较小（ 如数百欧） 的电阻。 （ 4） 通常， 运放温度每升高 10 ℃ ， 其偏置电流将 增加 1 倍。为了降低运放的工作温度， 尽可能选用低 增大负载电阻 （ ≥10 kΩ ） ， 以减小运放 的电源电压， 功耗来降低工作温度。兼顾放大器的动态范围， 这里 采用 ± 5 V 的电源电压。 （ 5） 由于 ICL7650 的主放大器的输出电路有点 类似跨导放大器， 其开环增益与负载电阻成正比。尤 其是当负载电阻 ≤18 kΩ 时， 这种状况会出现。如， 1 kΩ负载比 10 kΩ 负载的开环增益低 17 dB。如果该 影响不大。但用于宽频 电路直接用于直流信号放大， 带信号放大时， 则要用更高负载电阻才能得到最好频 响特性。为此， 可在其后加一级反相运算放大器来克 服其 不 足。 如 用 超 低 失 调 电 压、 低噪声的单运放 OP07 构成电压放大或电压跟随电路， 可获得几十欧 姆的输出电阻。 （ 6） 两个记忆电容器 C a 和 C b 的选用与连接： 它 们必须选用温度系数小、 绝缘电阻很高的优质电容 器。例如聚脂薄膜电容器、 聚苯乙烯电容器或聚苯烯 电容器等。容量可从 0． 01 ～ 1． 00 μF 中选用， 电容的
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2． 1
斩波稳零运算放大器
电路构成及工作原理 目前出现在市面上的斩波运算放大器型号各异，
放大电路中有调零装置。一般运放只具有 mV 级的 因而对 失调电 压 和 每 摄 氏 度 数 微 伏 的 温 度 漂 移， ［ 2 ］ 10 mV以下的低电平信号放大十分困难 。但是， 在 用于传感器、 变送器 自动控制的许多重要应用场合， 等微弱信号电压的放大， 要求放大器具有高输入阻 抗、 低输出阻抗、 低噪声、 低失调电压和温度漂移等特 ， 性 否则会使系统无法工作。 在 20 Hz ～ 20 kHz 频率范围内的 D 类音频微弱 信号放大中， 运放的失真主要由电压失调和 1 / f 噪声 所引起， 解决问题的最好办法就是采用自动稳零和斩 ［ 3 ］ 波技术 。 由于斩波技术是采取调制和解调的方
在现有集成传感器技术中， 将微弱信号放大的 读出电路是音频网络融集的重要接口电路。把微伏 级的声频特别是次声频微弱信号放大到数伏幅度的 需要一个高倍率的放大器， 而运算放大器的 大信号， 基本电路就是一个高倍率的直流放大器。但是， 直流 放大器的最大弊病是增益与漂移之间的矛盾。由于 漂移使运算放大器的运算结果产生一定的误差， 并随 温度的变化， 这一漂移误差会随之增 时间的延长， 加 。另外， 运算放大器零输入时， 必须零输出， 以保 证其直流工作点不受信号源及负载的影响， 这就要求
一种传感器微弱信号放大 电路的设计
蒋锟林 ( 中国电子科技集团公司 【摘 第三研究所， 北京 100015 )
·产品设计·
要】对声频特别是次声频微弱信号放大的主要难点进行了分析， 并提出一些解决办法。重点介绍斩波稳零运算放
介绍了一种典型的实用电路的设计， 并给出了该电路在应用时的一些注意事项。 大器的基本原理及主要技术特性。同时， 【关键词】传感器； 微弱信号； 斩波稳零； 失调电压； 温度漂移 【中图分类号】TN72 【文献标志码】A Design of a Sensor Weak Signal Amplifier Circuit JIANG Kunlin （ No． 3 Ｒesearch Institute， CETC， Beijing 100015 ， China） 【Abstract】Audio especially infrasound amplification of the main difficulties in a weak signal is analyzed，and some solutions are put forward． Chopperstabilized emphasis on the basic principle， and the main technical characteristics of operational amplifier of chopperstabilized is introduced． A kind of typical practical amplifying circuit design and manufacture of some items for attention are introduced． 【Key words】senser； weak signal； chopperstabilized； offset voltage； temperature drift
但其基本电路构成大致相同， 其中最具代表性并获得
［ 4 ］ 广泛应用的应属斩波稳零运算放大器 ICL7650 。
它采用动态稳零技术来消除 CMOS 器件固有的失调 和漂移， 其工作原理框图如图 1 所示。 ICL7650 的整个电路主要由主放大器、 调零放大 器、 时钟控制和箝位等电路构成。 主放大器是连接在电路的输入和输出端之间， 用 来承担外加输入信号的全部放大作用， 提供信号带
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引言
将失调电压和 1 / f 噪声调制到高频端， 并用低通 法， 滤波器滤除， 而有用信号则经调制后又解调到基带。 这一过程不会产生白噪声的混叠 。但是， 斩波开关 电荷注入和电荷馈通效应， 仍然会产生约 100 μV 的 残余电压失调， 而且斩波开关的使用， 器件的热噪声 为此， 常采用 T / H （ 跟踪 / 保持） 技术， 电平将会增加， 使电路在高斩波频率（ 如 150 kHz） 时， 使输入等效噪 Hz。随着满足以上性能要求的 声达到 31． 12 nV / 槡 运算放大器的出现 ， 研制出放大微伏级微弱信号的 放大器已有可能。
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图1
斩波稳零运放原理框图
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宽， 它与一般运放不同的是在其芯片内还有一个用于 调零的同相输入端。调零放大器是在斩波频率振荡 器和时钟电路的控制下， 交替地使自己和主放大器 进行调零， 以降低主放大器的失调电压， 它不对外 输出信号， 仅作为辅助高增益放大器使用。 例如， 当 ICL7650 应用于反相输入端输入信号时， 它连续 不断地监视放大器反相输入端的电压， 并累积其误 以校正在其反相输 差加到主放大器的同相输入端， 入端检测到的失调电压， 达到失调电压自动调零的 目的。 内 / 外时钟信号用来控制图 1 中的电子开关 A， A， B， C， 其控制逻辑产生两个主要的时钟周期： 校零 B 接通， 周期和放大周期。在校零周期内， 开关 A， 使 调零放大器的同相端和一个反相输入端短路， 通过该 放大电路的自身反馈使其输出的失调电压减到最小。 同时， 外接记忆电容 Ca 中储存了这一失调电压， 并将 该电压与两个放大器内设的反相输入端相连， 电路处 于误差检测和寄存阶段， 使调零放大器在放大周期内 C 接通， 仍保持校零。在放大周期内， 开关A， 把调零放 大器的输出与主放大器内部设置的同相输入端连接起 使主放大器被调零。同时， 外接的记忆电容 Cb 储 来， 存了校零电压， 使主放大器在下一个校准周期内仍保 持校零， 电路处于动态校零和放大状态。由于以上两 个状态不断交替进行， 电容 Ca 和 Cb 将各自所寄存的 上一阶段的结果加到主放大器和调零放大器的调零 端。由于调零放大器的增益一般大于 100 dB， 即使主 放大器的失调电压达到 100 mV， 整个电路的失调电压 也小于 1 μV。因此， 图 1 电路几乎不存在失调和漂移。
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200 Hz 频率上， 在 8 脚封装的芯片中， 该频率不可调。 但在 14 脚封装的芯片中， 可用外时钟来选定斩波频 率。即把 INT / EXT（ 14 脚） 接 V － （ 7 脚） ， 同时将外时 但其输入幅度不得 钟信号加到 EXT CLK IN（ 13 脚） ， 超过 V － 至 V + 范围。外时钟信号可用图 2 右上角的 时基电路（ IC3 ） 产生， 其输出脉冲信号频率 f = 1． 44 / （ Ｒ a + 2 Ｒ b ） C （ 按图中所标元件值， 其输出脉冲频率约 为133 kHz） 。 当图 2 电路用于直流到次声频范围的微弱 信号放大时， 只需将 INT/ EXT （ 14 脚） 开路或接 V + （ 11
输出箝位电路的设置主要是为减少斩波稳零运 算放大器所固有的过载恢复时间， 以防止主放大器因 过载而出现的阻塞。 2． 2 ICL7650 的特点 Maxim 公司的 ICL7650 是一种采用 CMOS 工艺集 成的斩波稳零运算放大器， 对低电平的音频信号的处 理很有用。该器件具有低的输入失调电压， 低的输入 宽的带宽和特低的随时间和温度的漂移。 偏置电流， 其主要技术特性是： （ 1 ） 总电源电压 （ V + 到 V － ） 为 18 V。 （ 2 ） 较低的电源电流： 2 mA。（ 3 ） 低失调电压： 1 μV。 （ 4） 高增益的共模抑制比（ CMＲＲ） 和电源抑制比 （ PSＲＲ） ： ≥120 dB。（ 5） 低输入偏置电流： 10 pA。（ 6） 高