作者：吳旭華

1 引言

　　運(yùn)算放大器(op-amp)簡稱運(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、過程控制中， 運(yùn)放常被用于放大來自傳感器的低電平信號， 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， 否則造成的漂移問題將使系統(tǒng)無法正常工作， 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)弱信號的前置放大電路， 通過multisim 8 軟件進(jìn)行仿真和測試，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)簡單， 對直流、低頻微弱電信號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、微弱信號的檢測及過程控制系統(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≥130 dB ; 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，用來濾除電源帶來的干擾。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)， 用來濾去ICL7650 模擬開關(guān)換向所帶來的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過沖。

　　該電路第一級是兩個(gè)對稱的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，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 的器件庫和虛擬儀表庫。Multisim 8 是Multisim 7 的升級版本， 其人性化的界面、龐大的器件儀表庫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合， 可以方便地對模擬、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 級電壓信號， 而如此微弱的電信號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)龋?都將嚴(yán)重地影響著信號的保真與提取。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

4.3 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置

　　為了模擬傳感器送來的微弱信號， 設(shè)置輸入信號的頻率為20Hz, 幅度為10uV.如圖3 所示?！?br />


　　圖3 信號發(fā)生器設(shè)置

　　4.4 輸出信號的波形

　　10uV 交流信號經(jīng)過圖2 放大電路放大， 可得到30mV 的電壓交流信號， 如雙通道示波器所示?！?br />


　　圖4 雙通道示波器

　　4.5 電路幅頻特性測試

　　本文設(shè)計(jì)的放大電路主要是放大低頻微弱信號， 對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 電路失真度測試雙擊XDA1 的失真度測量儀圖標(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 頻帶寬度測試



  　圖6 失真度測試

　　5 結(jié)束語

　　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)簡單， 效果良好， 對微弱的直流、低頻信號的前置放大具有一定的使用價(jià)值。