一种微小信号放大器电路的设计

秦德乐， 梁 蓓， 马 奎， 贾明俊

(贵州大学 大数据与信息工程学院， 贵阳 550025)

0 引 言

微小信号是指电路系统中信号函数的峰峰值(最大值减去最小值)相对较小的信号[1-2]。因为微弱的小信号幅度和输入阻抗较低，容易受到背景噪声的干扰等特点，给小信号的检测与分析带来诸多不便，只能使用低输入阻抗的低偏置差分放大电路。目前，众多放大器具有几百微伏或更高的输入偏移电压，温度系数通常约为几微伏，即使偏移电压能够满足零点调整，也难以解决漂移问题[3-5]。

本文基于TLC 2652运算放大器和OP1177差分放大器，设计出一种专用于微小信号的放大器电路。首先采用TLC 2652运算放大器从环境噪声的角度去解决信号源的问题，从中有效地提取目标信号进行放大，然后使用OP1177差分放大器进一步放大获得稳定的增益[6-9]。

1 TLC 2652运算放大器

1.1 TLC 2652简介

TLC 2652[10]内部结构如图1所示，由5个主要功能单元组成，分别是：主放大器、校零放大器、时钟和开关电路、补偿网络和箝位电路。

图1 TLC 2652内部结构图

在图1中，主放大器是具有校零功能的三输入运放；校零放大器内部输入为反相；时钟电路用于产生稳定的时钟信号，开关电路用于控制连通和关闭；补偿网络可以平坦性修复相应结果；箝位电路可以加速电路过载后的修复。

1.2 TLC 2652工作原理

TLC2652的逻辑控制有2个时钟周期：零校周期和放大周期。主放大器与外接电路的输入和输出总是相连在一起的，但是校零放大器是在2个不同的周期内进行自身校零和主放大器校零。

在放大器校零准周期时，把开关A关闭，把放大器的2个输入端短接在一起[11]，由于放大器本身的反馈作用，使得校准放大器的偏移量尽量最小化。同时，偏移的电压会存储在外部的电容器内，为了保证零校放大器在放大期间内始终保持零校准状态。

当放大器处在放大周期时，把开关B关闭，把零校准放大器的输出端和主放大器的同相输入端连接在一起[12]，这样就可以使得主放大器校准调零。同时，外部存储电容存储零校准电压，为了保证零校放大器在放大期间内始终保持零校准状态。

在连续不断的零点设定状态下，则降低了偏移电压和漂移，这就解决了低频噪声对电路产生的影响。

2 OP1177差分放大器

2.1 OP1177简介

OP1177差分放大器使用了8个引脚的贴片封装，而且MSOP和TSSOP封装可以通用，封装性能相同。和同等放大器相比，特别是贴片装置的精密放大器中，OPX177型号可以适应最宽的温度[13-14]。所有同类型的放大器工作温度电压都在-40 ℃～+125 ℃之间，保证了在最恶劣的环境中依然可以正常工作。其封装图如图2所示。

图2 OP1177封装图

OP1177放大器具有低失调电压、极低失调电压漂移、低输入偏置电流、低噪声、低供电电流、双电源工作等特点。低失调电压最大为60 uV；极低失调电压漂移最大为0.7 uV/℃；低输入偏置电流最大为2 nA；低噪声为8 nV/vHz；低供电电流为400 uA/Amp；双电源电压为±2.5～±15 V[15]；且其单位增益稳定，无反转，内部保护适用于超过电源电压的输入信号。

2.2 OP1177工作原理

OP1177是一款精密的单路放大器，配备了非常低的偏移电压和温度漂移，其偏置电流也达到了最低，还具有低噪声和低功耗的特点。当负载电容超过 1 000 pF 时，电路外部即使没有给予补偿，但其输出依然保持稳定，在30 V电压时，放大器的输入电流不高于500 uA。放大器内部串联了500 Ω的电阻，目的是为了保护输入信号比电源信号稍高，这样就保证了信号不反转的情况。

3 总电路设计

本文提出的微小信号放大器电路是由两级放大电路组成，如图3所示。针对受到环境噪声影响的微小信号输入，第一级通过2片高精度TLC2652运算放大器进行信号放大，并且在芯片连续校零的机制下，使得低频噪声、失调电压及漂移等因素的影响降到最低。第二级在降低噪声影响的信号基础上进一步对低频，微弱信号进行放大，使其获得更加稳定的增益。

图3 微小信号放大器电路结构框图

总电路原理图如图4所示，微小信号是由系统自带的函数信号发生器模拟，信号同时进入2片TLC2652，因为TLC2652的特点是具有较小的失调电压，由于是共模输出，2片TLC2652的输出电压相同，使得噪声干扰被降低，通过缓冲把较小的偏置电流再通过OP1177进行差分放大。C4、C5、C7和C8的作用是作为存储器电容存储偏置电压，用来进行零校准。C1、C2、C3、C6和C9是电源的滤波电容，消除电路外界高频信号对电路产生的影响。根据放大器的工作原理，电路的增益为：G=(1+2×300/2)(100/10) =3 010。

4 仿真实验结果

本实验使用Multisim仿真软件[16]构建电路仿真图，在图4微小信号放大器电路原理图的基础上进行仿真测试，设置输入端微小信号函数发生器的相关参数，如图5所示，模拟的微小信号采用的是正弦信号波形，频率为60 Hz，占空比为50%，振幅为10 uV。

图4 微小信号放大器电路原理图

图5 微小信号函数发生器

由电路原理图可知，信号输出端接入检测示波器A通道，通过总电路的降噪与两级放大作用后，检测结果如图6所示。通过观察仿真实验结果可得，输出波形的振幅为50 mV，与输入信号参数对比可知，微小信号被相应地放大，且波形无明显失真现象，进一步证明了本文设计的微小信号放大器电路的降噪和放大效果。

图6 输出信号波形图

5 结束语

由于传感器采集到的微小信号通常为几毫伏的电压信号，且容易被电路元器件噪声和环境噪声所干扰。只有电压增益足够大时才能满足设计要求，而且设计的放大电路自身噪声也要尽可能降到最低。

本设计提出了一种用于低频，微弱信号的放大器电路，使用TLC2652运算放大器和OP1177差分放大器，通过两级放大的原理对微小信号进行相应的降噪和放大，并获得较高的电压增益。仿真实验结果表明，该放大电路取得了预期的降噪和放大效果，且无明显失真现象发生，较好地解决了漂移问题。