弱信号放大电路的设计

摘要：依据仪表放大器的工作原理，利用德州仪器公司的TLC2652设计了一低频弱信号放大电路。通过Multisim软件仿真分析，该电路具有极高的输入电阻，极低的输出电阻，共模抑制能力很强，能放大频率在0～300 Hz内的微伏级信号，且该电路的工作稳定，失真度小。
关键词：弱信号放大；TLC2652；仪表放大器

0 引言
    在研究自然现象和规律的实践中，经常会遇到检测被强背景噪声淹没的微弱信号问题，如地震波的分析、卫星信号的接收、植物电信号、医疗中脑电波的分析等。这些问题都归结为微弱信号的检测。
    微弱信号检测与处理是随着工程应用而不断发展的一门学科，采用一系列信号处理的方法，检测被噪声背景淹没的微弱信号。由于在微弱信号检测与处理系统中，我们获取的信号是极其微弱的，因而我们不能直接选用普通的放大器，否则放大器的本底噪声就可能淹没了我们的实际信号，所以在这一过程中，如何在抑制噪声的前提下增大微弱信号的幅度是我们获取有用信号的关键。本文主要以直流与低频信号为研究对象设计一弱信号放大器，并进行仿真分析。

1 集成运算放大器的选择
    随着集成工艺与电子技术的发展，集成运算放大器的性能越来越好。TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的技术使TLC2652具有优异的直流特性，将失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响降低到了最小值，因此TLC2652非常适合用于微信号的放大。
1．1 TLC2652的内部结构
    如图1所示，TLC2652主要由5个功能模块构成：

    (1)主放大器(Main)：与一般的运算放大器不同，它有三个输入端。除引出芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
    (2)校零放大器(Null)：它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。
    (3)时钟和开关电路：内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。在14和20引脚的芯片中时钟信号还可从外部引入。
    (4)补偿网络(Compensation-Basing Circuit)：它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。在TLC2652中，电路的高频响应主要由主放大器决定。
    (5)箝位电路(Clamp Circuit)：它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1 V时动作的开关，把CLAMP与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。
1．2 TLC2652的主要性能指标
    (1)极低的输入失调电压：最大值1μv
    (2)极低的输入失调电压漂移：典型值0．003μV／℃
    (3)低输入失调电流：最大值500pA(TA=-55℃～125℃)
    (4)开环电压增益：最小值135dB
    (5)共模抑制比：最小值120dB

2 弱信号放大电路
    TLC2652的典型电路如图3所示，构成差分放大电路。

    如果R1=R2，R3=R4，则
    u0=(ui1-ui2)(R2／R1)
    这一电路提供了仪表放大器的功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但是同相输入端与反相输入端阻抗相当低而且不相等。由图3容易得到同相输入端的阻抗为(R2+R4)，反相输入端的阻抗为R1。另外，这一电路要求电阻对R1／R2和R3／R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有所差异，这将直接影响电路的CMR。现根据仪表放大器的工作原理设计一个高精度高稳定性的放大器。
2．1 仪表放大器的工作原理
    标准三运放仪表放大器的电路如图4所示。该电路可以提供两输入端匹配的高阻抗，使得输入源阻抗对电路的CMR影响最小。其中A1和A2运算放大器用于缓冲输入电压，A3构成差分放大电路。

    如图4所示电路，如果R5=R6，R1=R2且R3=R4，则
    u0=(ui2-ui1)(1+2R5／RG)(R3／R1)
    如果A1和A2使用的是相同的运算放大器，则它们的共模输出电压和漂移电压相等，加到A3差放后，将被相互抵消，因而整个电路具有很强的共模抑制能力，很小的输入失调电压和较高的差模电压增益。
2．2 电路原理图
    根据仪表放大器的原理，设计出利用TLC2652构成的弱信号放大电路如图5所示。

    如图5所示电路，利用两片TLC2652来实现输入缓冲，TLC2652有极其微小的输入失调电压，且共模输出电压相等，利用低噪声、低输入偏置电流OP1177作为差分放大电路。电容C1、C2、C3、C4接到TLC2652的CxA和CxB引脚作为记忆电容存储失调电压，以实现校零。电容C5、C6、C7、C8、C9作为电源滤波电容，用于滤除高频干扰。根据仪表放大器的工作原理知该电路的增益G=(1+2X300／2)(100／10)=3010。

3 仿真分析
    依据该弱信号放大电路，在Multisim10．0软件中搭建电路进行了仿真分析。设输入信号的频率为60 Hz，ui1和ui2幅度均为10μVp，利用Transient Analysis，可以得到电路的输出波形如图6所示。拖动标尺，可以计算出此时的电路增益G约为3 000，即69．5dB。
    运行Analysis下的ACAnalysis，得到如图7所示的频率特性曲线。从该图中我们可以看到该放大电路在中低频率情况下幅频特性和相频特性都比较平稳。通过拖动标尺，可以得到该电路的带宽约为300Hz。

    利用Multisim软件仿真测量还可以得到该电路的输入电阻很大，约为几十MΩ；输出电阻很小，小于1Ω；共模抑制比可以达到60dB以上；电路失真率小于0．05％；在300Hz的带宽内频率稳定度小于0．02％。

4 结束语
    本文针对低频信号利用TLC2652设计了一个弱信号放大电路，并且利用Multisim软件进行了仿真分析，分析结果表明各项指标都达到了设计要求，在实践中有一定的应用价值。但是做成实物电路还必然会引入部分噪声，例如PCB板的布线、材料的选择都需要注意。