弱信號(hào)放大電路的仿真測(cè)試

1 引言

運(yùn)算放大器（op-amp）簡(jiǎn)稱運(yùn)放，因最初主要用于模擬量的數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名。它是一個(gè)高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的直接耦合多級(jí)放大電路，也是最基本、最具代表性、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。在工業(yè)自動(dòng)化控制、過(guò)程控制中，運(yùn)放常被用于放大來(lái)自傳感器的低電平信號(hào)，這就要求用作前置放大器的集成運(yùn)放具有高的輸入阻抗，低的輸出阻抗，低失調(diào)電壓和溫度漂移以及精密的反饋特性和高的共模抑制比能力，否則造成的漂移問(wèn)題將使系統(tǒng)無(wú)法正常工作，ICL7650正是為適應(yīng)上述要求而研制成功的。

介紹了ICL7650斬波集成運(yùn)放的性能，并采用該器件設(shè)計(jì)了一個(gè)弱信號(hào)的前置放大電路，通過(guò)multisim 8軟件進(jìn)行仿真和測(cè)試，其增益、幅頻特性、信噪比等性能指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)直流、低頻微弱電信號(hào)放大具有一定的參考使用價(jià)值。

2 ICL7650性能介紹

斬波器穩(wěn)定型運(yùn)算放大器ICL7650芯片是Intersil公司的第四代運(yùn)算放大器，性能極為優(yōu)越穩(wěn)定，因而在精密儀表、微弱信號(hào)的檢測(cè)及過(guò)程控制系統(tǒng)中作為前置放大器應(yīng)用很廣。

ICL7650主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）極低的輸入失調(diào)電壓：整個(gè)工作溫度范圍（約100℃）內(nèi)只有±1μV ；輸入偏置電流低：15pA （典型值）；

2）失調(diào)電壓的溫漂和長(zhǎng)時(shí)間漂移極低：分別為0.01 t， v/℃和100 nV /Month；

3）極高的開環(huán)增益，CMRR，PSRR均≥130dB，較高的轉(zhuǎn)換速率：SR = 0. 5 V/μs ；

4）單位增益帶寬BWG=2 MHz，并具有內(nèi)部補(bǔ)償，相位裕度≥80；5）內(nèi)部有箝位電路，能減少過(guò)載時(shí)的恢復(fù)時(shí)間；在輸入端、輸出端只有極微小的斬波尖峰泄漏。

3 用ICL7650設(shè)計(jì)弱信號(hào)的前置放大電路

根據(jù)上述分析，結(jié)合儀用放大器的原理，實(shí)際電路設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 放大電路原理圖，R0為ICL 7650輸入限流保護(hù)電阻

在ICL7650的外圍電路中，電源電壓輸入端和地之間接入一個(gè)0.1μF（104）的電容，用來(lái)濾除電源帶來(lái)的干擾。采樣電容C2、C3在動(dòng)態(tài)校零中起關(guān)鍵作用，直接影響到運(yùn)放自動(dòng)穩(wěn)零的精度，故選用高阻抗、瓷介質(zhì)、聚本乙烯材料的優(yōu)質(zhì)電容，其值可取0.1μF.R3與C6組成濾波網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)濾去ICL7650模擬開關(guān)換向所帶來(lái)的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過(guò)沖。

該電路第一級(jí)是兩個(gè)對(duì)稱的ICL7650集成運(yùn)放，有很高的輸入阻抗和共模抑制比，而且變雙端輸入為單端輸出。由于整個(gè)電路的失調(diào)電壓及漂移與第一級(jí)有密切關(guān)系，因此A1、A2選用了具有超低失調(diào)電壓和超低漂移的ICL7650集成運(yùn)放。ICL7650作為高精度、低漂移放大器，其輸入一般只有幾百微伏甚至幾十微伏電壓就能正常工作。

4 采用Multisim 8軟件進(jìn)行仿真

4.1 Multisim 8軟件介紹

Multisim 8軟件由加拿大Interactive Image Technology公司推出的電子電路仿真軟件EWB（ Electronics WorkBench）發(fā)展而來(lái)，它繼承了EWB直觀的電路仿真與設(shè)計(jì)界面，并發(fā)展了EWB的器件庫(kù)和虛擬儀表庫(kù)。Multisim 8是Multisim 7的升級(jí)版本，其人性化的界面、龐大的器件儀表庫(kù)和完善的分析方法能勝任電路設(shè)計(jì)與仿真的絕大部分場(chǎng)合，可以方便地對(duì)模擬、數(shù)字或混合電路進(jìn)行仿真，且大多數(shù)采用實(shí)際模型，確保了仿真和設(shè)計(jì)結(jié)果的真實(shí)性和實(shí)用性。由于本設(shè)計(jì)是放大μV級(jí)電壓信號(hào)，而如此微弱的電信號(hào)放大及處理是很困難的，如運(yùn)算放大器的零漂、噪聲、外界干擾、信道的傳輸?shù)?，都將?yán)重地影響著信號(hào)的保真與提取。因此雖然成功搭建了實(shí)際硬件電路，但還可能存在著干擾和噪音，故運(yùn)用Multisim 8軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行性能仿真分析。

4.2 創(chuàng)建仿真電路原理圖

根據(jù)圖1所設(shè)計(jì)的電路原理圖進(jìn)行仿真電路圖的創(chuàng)建，得到如圖2所示的仿真電路圖。

圖2仿真電路數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置為了模擬傳感器送來(lái)的微弱信號(hào)，設(shè)置輸入信號(hào)的頻率為20Hz，幅度為10uV.如圖3所示。

圖3信號(hào)發(fā)生器設(shè)置4.4輸出信號(hào)的波形10uV交流信號(hào)經(jīng)過(guò)圖2放大電路放大，可得到30mV的電壓交流信號(hào)，如雙通道示波器所示。

圖4雙通道示波器4.5電路幅頻特性測(cè)試本文設(shè)計(jì)的放大電路主要是放大低頻微弱信號(hào)，對(duì)高頻也有一定的抑制，雙擊XBP1波特圖示儀的圖標(biāo)，設(shè)置合理的參數(shù)，顯示出電路的幅頻特性曲線，如圖5所示，在圖中曲線的中間水平線中可以清楚得到電路的增益為69.589dB，用鼠標(biāo)拖動(dòng)讀數(shù)軸可得上限頻率fH =294.963Hz，下限頻率fL=0，頻帶寬度B= fH - fL =294.963Hz4.6電路失真度測(cè)試雙擊XDA1的失真度測(cè)量?jī)x圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖6所示界面，調(diào)整好參數(shù)，可得到電路的失真度為零，信噪比是100dB，所以本電路信噪比高，噪音小。

圖 5頻帶寬度測(cè)試

圖6 失真度測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

由于采用的斬波穩(wěn)零運(yùn)放ICL7650有極低的失調(diào)電壓和漂移，使得電路有良好的性能，經(jīng)仿真，各參數(shù)基本上都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此放大電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果良好，對(duì)微弱的直流、低頻信號(hào)的前置放大具有一定的使用價(jià)值。