1、目 錄摘要1關鍵詞1abstract1key words1引言（或緒論）11系統框架及電阻應變傳感器輸出信號特點21.1電路系統框圖21.2電阻應變傳感器電路結構及其輸出信號特點32微弱信號放大電路42.1 運算放大器tlc265242.1.1運算放大器tlc2652的工作原理42.1.2運算放大器tlc2652的主要技術性能及封裝52.2 運算放大器op0762.2.1運算放大器op07的基本原理62.2.2運算放大器op07的技術指標和特點 82.3 放大電路的構成83實驗結果及分析94 結束語 10致謝10參考文獻11低噪聲微弱信號放大電路的研究摘要：在測量紗線張力的時候,較大的張力容易

2、被檢測和測量,而較小的張力的測量則要復雜困難的多。電阻應變傳感器具有高靈敏度、高精度的特點,從理論上來說適合作為小張力的信號轉換器件。但是要設計好相應的小信號放大電路卻有相當的難度,因為小信號極易受外界干擾。而一般集成運算放大器都是利用參數補償原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它們的初始失調參數并不等于零,而是用調零電位器或精密修正技術的調節來進行失調參數的補償。這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂,而阻容耦合放大器雖然能夠抑制溫漂,但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號。本案應用高精度斬波穩零運算放大器芯片tlc2652 設計小信號前置放大電路,用芯片op07 設計后級放大

3、濾波電路,通過級聯方式對小信號進行放大濾波。關鍵詞：tlc2652;電阻應變傳感器; 放大濾波; 小信號the research of small-signal amplifing circuitstudent majoring in elect ronics name jinyi tutor lixiuxiaabstract：in the measurement of yarn tension, the greater the tension easily be detected and measured, and the smaller will be the tension measur

4、ement of more complex and difficult. resistance strain sensors with high sensitivity, high-precision features, in theory suitable for small signal conversion devices tension. but the design of the corresponding small-signal amplifier there was a considerable difficulty, because the small-signal vuln

5、erable to outside interference. integrated operational amplifier and the general parameters of the compensation principle is to use the direct coupling, or resistance-capacitance coupled amplifier, which parameters of the initial imbalance is not zero, but zero potentiometers with precision correcti

6、on or adjustment to the imbalance compensation parameters . this allows direct coupling of the signal amplifier at the same time to enlarge enlarge the drift, and the resistance-capacitance coupled amplifier can inhibit drift though, but can not be used to enlarge small dc signals or slow changes in

7、 signal. in this case the application of high-precision chopper stabilized op amp tlc2652 chip preamp design small-signal circuit design using chip-level amplification op07 filter circuit, by way of cascade amplification of small signal filtering.key words: tlc2652；resistance strain sensor；amplifyin

8、g and filtering；small-signal引言: 電子技術的飛速發展，給人類的生活帶來了根本的變革，特別是隨著大規模集成電路的產生而出現了微型計算機，更是將人類社會帶入了一個新的時代近年來,微電子產品得到廣泛使用,迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗,低電壓、低功耗的模擬電路設計技術正成為研究的熱點。從能源角度考慮,低的功率消耗不僅是電池驅動的便攜設備的需求,更是大型系統的迫切需要。 運算放大器作為集成電路中最基本的單元,其重要性是眾所周知的。現代工業設計，工程建設及日常生活中數據測量起著重要的作用，早期的數據測量主要用于工廠時間生產中，能起到實時采集溫度數據、電壓、電流數據等

9、，提高生產效率，產品質量之用。隨著人們生活質量的提高，現代社會中的數據測量不僅應用在工廠生產方面也應用于酒店，廠房以及家庭生活中，在有些應用中，如高精度的生產廠房，對某些數據的要求極其嚴格，溫度、濕度、電壓、電流等數據的變化極有可能對生產的產品造成極大的影響。由于某些信號比較微弱，因此，這就需要將其放大，再進行相關的研究，使人們對某些數據變化做及時的調整，提示人們數據變化情況，協助人們能及時的調整，起到報警作用，使其更好的服務于社會生產，生活。例如，在測量紗線張力的時候,較大的張力容易被檢測和測量,而較小的張力的測量則要復雜困難的多。電阻應變傳感器具有高靈敏度、高精度的特點,從理論上來說適合作

10、為小張力的信號轉換器件。但是要設計好相應的小信號放大電路卻有相當的難度,因為小信號極易受外界干擾。而一般集成運算放大器都是利用參數補償原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它們的初始失調參數并不等于零,而是用調零電位器或精密修正技術的調節來進行失調參數的補償。這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂,而阻容耦合放大器雖然能夠抑制溫漂,但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號。針對以上集成運算放大器的缺點，本案應用高精度斬波穩零運算放大器芯片tlc2652 設計小信號前置放大電路,用芯片op07 設計后級放大濾波電路,通過級聯方式對小信號進行放大濾波。1 系統框架及電阻應變傳感器輸出信號

11、特點11 電路系統框圖本系統主要由電源模塊、電阻應變傳感器、小信號放大電路、放大濾波電路等4部分組成，電路總體框圖如圖1所示。電源模塊主要為其他三個模塊提供穩定可靠的電壓；傳感器電路作為信號轉換電路，把非電量（小張力）轉換成電壓信號；小信號放大電路主要由高精度斬波穩零運算放大器芯片tlc2652組成，對輸入信號進行前置放大并對噪聲進行有效抑制，對干擾信號的抑制主要集中在這一級；放大濾波電路作為后級放大器，同時也起到了低通濾波的作用。 圖1 電路總體框圖12 電阻應變傳感器電路結構及其輸出信號特點 電阻應變傳感器電路結構及其輸出信號特點，電阻應變傳感器內部是由4 個應變片 構成的橋式電路,構成等

12、臂電橋電路。當受力適應變片產生形變，相應的電阻值發生變化，從而使橋路失去平衡，在電橋有外電源供電的情況下，利用橋差來檢測被測信號。電橋按激勵源不同可分為恒壓源供電電橋和恒流源供電電橋。 由于采用恒流源供電比采用恒壓源供電可以減少非線性誤差,因此本設計采用恒流源供電模式,如圖2所示。 其中理論上未受任何力時應有 r1 = r2 = r3 = r4 ,當受到壓力和拉力(分別變化r1 ,r2 ,r3 ,r4 ) 作用的時候,其橋臂電阻值分別變為 r1 - r1 , r2 +r2 , r3 +r3 , r4 - r4 ;設流過 r1 和 r2 的電流分別為 i1 和 i2 ,可得到:u0 = i1 (

13、 r3 +r3 ) - i2 ( r4 - r4 ) (1)又 u0 = i2 ( r2 +r2 ) - i1 ( r1 - r1 ) (2)而 i = i1 + i2 (3) 根據式(1) 、 式(2) 、 式(3) 可推出:u0 = i ( r2 +r2 ) ( r3 +r3 ) - ( r1 - r1 ) ( r4 - r4 ) / ( r1 + r2 + r3 + r4 +r2 +r3 - r4 - r1 ) (4) 圖 2 電阻應變傳感器電路 由于分母中(r2 +r3 - r4 - r1 ) 很小,其值可以忽略。 其中初始條件: r1 = r2 = r3 = r4 = r;當各橋臂阻

14、值變化r1 =r2 =r3 =r4 =r時,代入上式并整理得輸出電壓:u0 =r i (5)式(5) 表明:當恒流源供電時,其輸出信號 u0 與電阻應變量以及恒流電流成正比,傳感器的輸出與供電電流大小和精度有關(假設忽略溫度的影響) 。 表1 給出了傳感器的部分實驗數據(實驗條件:室溫;恒流源 5ma;安捷倫六位半數字萬用表;定量砝碼)。表 1 傳感器部分實驗數據 從表 1 中可以看出 ,傳感器輸出信號是十分微弱的微伏級電壓 ,設計要求量程為 40 g ,最小分辨張力為0. 1 cn ,轉化成電壓信號后要求最小能分辨 3v 的幅度變化。表中數據經電平位移可得輸出電壓范圍約為 01. 2 mv。

15、如此微小的信號容易受噪聲的干擾 ,因此要有效提取該信號 ,關鍵的是在放大有用信號的同時把干擾信號有效地抑制掉 ,設計放大器時還要充分考慮放大器的精度和穩定度。2 微弱信號放大電路 根據輸出信號特點 ,放大器的設計主要是高增益 ,低噪聲。一方面 ,提高增益的最直接的措施是采用多個放大器級聯 ,但這種結構在提高增益的同時也引入了噪聲干擾 ,而且級數越多引入電路的傳輸函數極點越多 ,造成系統不穩定 ,一般不選擇三級以上級聯方式 ,常用兩級級聯方式。另一方面 ,由于多級放大電路噪聲系數及電壓增益滿足:nftotal = 1 + (nf1 - 1) + (nf2 - 1) / av1 + + (nfn

16、- 1) / av1 av2 avm,由此可見 ,多級放大電路總噪聲主要取決于第一級。德州儀器公司生產的斬波穩零型運算放大器 tlc2652 在抑制噪聲、 增益、 漂移方面都有優異的特性 ,是解決微信號放大問題的廉價方案。21 運算放大器tlc2652在微弱信號的測量中，常常需要放大微伏級的電信號。 這時， 普通的運算放大器已無法使用， 因為它們的輸入失調電壓一般在數百微伏以上，而失調電壓的溫度系數在零點幾微伏以上。 固然輸入失調電壓可以被調零， 但其漂移則是難以消除的。德州儀器公司的斬波穩零型運算放大器提供了一種解決微信號放大問題的廉價方案。211 運算放大器tlc2652的工作原理tlc2

17、652 功能框圖示于圖3 。tlc2652 芯片上的控制邏輯產生兩個主要的時鐘周期 ： 校零周期和放大周期。 主放大器一直與電路的輸入端和輸出端相連，而校零放大器則在兩個周期內分別對自己和主放大器校零。在校零周期內，開關a 閉合，使校零放大器的兩個輸入端短路， 通過自身的反饋， 校零放大器的失調電壓被減到最小。同時，外接記憶電容cxa 中儲存了這一失調電壓，使校零放大器在放大周期內仍保持校零。在放大周期內，開關b 閉合，把校零放大器的輸出與主放大器的同相輸入端連接起來， 使主放大器被校零。同時，外接記憶電容c xb 中儲存了校零電壓， 使主放大器在下一個校零周期內仍保持校零。在tlc2652

18、中，內部時鐘使放大器以450hz 的頻率校零。 在這種連續校零的機制下， 失調電壓及其漂移、 共模電壓、 低頻噪聲、 電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小。 由于低頻信號經過兩個放大器放大， 電路可以獲得極高的增益，這在需要精密高增益放大的電路中是十分有用的。由于使用了lincmos 工藝和低噪聲的mosfet ，輸入噪聲被大大減小。 圖3 tlc2652 的功能框圖212 運算放大器tlc2652的主要技術性能及封裝tlc2652 是德州儀器公司使用先進的lincmostm 工藝生產的高精度斬波穩零運算放大器,其封裝如圖4所示。在 tlc2652 內部 ,有主放大器和較零放大器 ,

19、內部時鐘使放大器以450 hz 的頻率校零。在這種連續校零的機制下 ,失調電壓及其漂移、 共模電壓、 低頻噪聲、 電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到最小。由于使用了lincmos工藝和低噪聲的 mos2fet ,輸入噪聲被大大減小, tlc2652 非常適合用于微弱信號的放大。其主要技術性能如表2 所示。 圖4tlc2652 封裝圖 表 2 tlc2652 主要技術性能22 運算放大器op07221 運算放大器op07的基本原理 op07系列運算放大器采用精密雙極型 pnp輸級并配有高電壓cmos輸出級,從而使這種放大器的輸入電壓范圍包括負電源電壓(通常指單電源應用中的地) ,并且輸出擺

20、幅差1mv不到電源電壓。另外輸入電壓范圍擴展到差別1v不到正電源電壓。這種外延pnp輸入級提供的高擊穿電壓、高增益和輸入偏置電流技術指標都可與帶達林頓輸入級的放大器相比,但是沒有帶達林頓輸入級放大器存在的那些缺點(使輸入電壓范圍、失調電壓、漂移和噪聲嚴重變劣)這種pnp輸入結構還極大地降低了噪聲并且減小了直流輸入誤差。電源電壓：op07系列放大器用一個+ 5v單電源供電完全能達到規定技術指標,由于采用創新設計和工藝,它們在電源電壓從低到場2. 7v一直到高達30v范圍內也能工作。這樣就允許使用當前工業實際采用的大多數分檔電源(split supplies) ,其主要優點是比傳統的分檔電源放大器

21、增加了輸入電壓和輸出電壓范圍。op07系列放大器在vxv = 5v v- = 0v和vcm = 2. 5v條件下能達到規定的技術指標,所以非常適合單電源應用。由于該系列運放的電源抑制比(psrr)為130db(0. 3uv/ v) ,共模抑制比(cmrr)為110db (3uv/ v) ,所以其失調電壓受電源電壓或共模電壓的影響最小。在 15v雙電源工作條件下也完全能夠達到規定的技術指標。 圖5 op07接成差動放大器的電路輸入共模抑制電壓范圍：op07系列放大器被認為具有從負電源電壓到差lv 不到正電源電壓的擴展輸入共模電壓范圍。當輸入電壓稍低于負電源(vee)時這種放大器仍能正常工作。在圖

22、5中將op07 系列放大器接成一種差動放大器 ,采用 2. 7v 單電源 ,在兩個輸入端施加負直流共模電壓。然后將 400mvpp輸入電壓加到同相輸入端。測試結果表明輸出電壓沒有任何失真。該電路雖然接有很大的輸入電阻器和反饋電阻器 ,但仍保持微功耗工作。 輸入過壓保護：當放大器的輸入電壓比vee低一個二極管壓降以下或比vcc高一個二極管降以上時,將有一個大電流分別入負電源(v - )或正電源(v + )流到兩個輸入端,從而會損壞器件。對于op07來說,只要差動電壓等于電源電壓就不會產生任何問題(見圖6) ,因為op07內補有兩個串聯輸入500m限流電阻器,允許輸入信號超過電源電壓(任一端)3v

23、而不損壞器件通常使進入輸入端的電流保持在5ma以下的做法是切實可行的。在這方面還應該說明的是,如果放大器的輸入三極管的擊穿電壓很高,則沒有必要在放大器的兩個輸入端之間加鉗位二極管,這是很多精密運放電路設計都必須遵循的一個原則。另外加這種鉗位二極管這是許多精密運放電路設計都必須循的一個原則,另外加這種鉗位二極管對許多應用(例如精密整流電路和比較器)會產生極壞的影響。由于op07系列具有很大的差動電壓能力,所以不必外接這種鉗位二極管。圖6單位增益跟隨器倒相：許多放大器當其中一個輸入端或兩個輸入端的電壓超過輸入共模電壓范圍時 ,工作不正常。對放大器傳遞函數的典型影響是倒相 ,使傳遞的極性顛倒。在某些

24、情況下 ,這種倒相會使伺服系統閂鎖并且對放大器產生永久性損壞或使參數造成不可恢復性改變。許多放大器采用補償電路來抵制這種作用 ,但是這種方法僅對反相輸入端有一定作用。另外 ,這種方法的多數情況 ,僅對超過電源電壓大約幾百毫伏有效。op07當其中一個或兩個輸入端的輸入電壓超過輸入共模電壓范圍時 ,不會出現倒相 ,因為它們帶有防止倒相的保護電路。但是 ,我們不推薦對op07輸入端連續施加超過電源電壓3v以上的輸入電壓。輸出級：cmos輸出級具有優良和相當均衡的輸出驅動能力 ,并且在輕負載情況下 ,實際的輸出擺幅可以差 1mv 不到電源電壓。這比所謂滿電源雙極型輸出級的同類放大器好得多。op7 7

25、的電壓跟隨器工作方式性能穩定 ,而且在單電源工作方式下 ,對信號響應低到1mv 輸出短路保護：op07系列放大器的輸出級帶有短路保護電路 ,防止由于電源意外短路損壞器件 ,只要管芯最高溫度不超過長期偏置的極限溫度。通常電流高達30ma也不會對器件造成任何損壞。222 運算放大器op07的技術指標和特點美國模擬器件公司（analog devices inc 簡稱adi）把op07作為精密運算放大器的標準器件，這一系列精密運算放大器具有真正單電源、微功耗和滿電源輸出的特點。由于他們還具有極低的失調電壓、低漂移和低噪聲的特點。所以他們是當今不斷發展的低電壓工業應用的極好選擇。op07和其他公司的同類

26、產品例如lt1006、lt1077、opa177、opa277相比有如下特點：低電源電流：每運放300ua 滿電源輸出：無倒相寬電源工作范圍：2.730v 低失調電壓：最大100ua低輸入偏置電流：10na 低電壓噪聲：典型值0.4uv單位增益穩定：容性負載1000pf 寬溫度范圍：-40+85 c輸入過電壓保護能力：兩輸入端串入500運算放大器op07主要應用領域有工業儀器儀表、汽車電子、醫療設備、計算機和通信等。例如：傳感器放大溫度檢測器、壓力傳感器、電子秤、腦電圖和心電圖機；精密電流測量工業電能表、plc模擬測量模塊、電流、電壓計；通信系統通信電源控制系統、無線網絡終端設備、精密濾波器和

27、比較器。23 放大電路的構成 在該放大電路中 ,采用兩級級聯放大:第一級選擇高精度斬波穩零運算放大器 tlc2652作為小信號的放大。第二級主要由運放 op07 構成 ,作為信號的二級放大及濾波。前置放大電路如圖7所示。 可以看出 , tlc2652 構成差分放大電路。從tlc2652 輸入端看進去 ,電橋電路可用圖 8等效示意圖(虛線部分)來描述 ,等效于在放大器反相端和同相端各接 r =500 歐的一個電阻;為了提高電阻的精度和共模抑制比, r2 和 r3 選用精密電阻且取 r19 =r18 =39 k,因此理論上閉環放大倍數約為 a = r3/r = 39000/500 =78倍;c2

28、、c3用來濾除信號上的高頻噪音;記憶元件 c4 和 c5 使用絕緣電阻很高的聚酯薄膜電容器 ,容量為0. 1f。電容的一端接到 cxa或 cxb引腳 ,另一端接至vdd-引腳;tlc2652在作直流微弱信號放大時 ,為了進一步減少交流信號干擾 ,在輸出端加接一個低通濾波電容 c6 ,容量為 1f ,用以濾除輸出信號中的交流成分 ,使輸出信號更加平穩;總之 ,為了保證放大器的精度,一是負反饋電阻必須有足夠的精度 ,采用精密電阻 ,且電路的閉環增益不能太大;二是必須提高印制板的質量 ,防止印刷板表面的漏電流;三是注意合理布線。圖 7 前置放大電路 圖 8電橋電阻等效示意圖 第二級放大電路完成信號的

29、二次放大和低通濾波的作用。后級放大電路如圖 9 所示:圖中運放 op07構成了反相放大電路 ,u1 是經 tlc2652 放大之后的電壓 ,理論上此放大電路的放大倍數為 b = r1 / r3 = 30k/ 1k = 30倍。c3 、r1 構成 rc低通濾波網絡 ,其電路截止頻率為 f = 1/ 23r22 3 c13 = 1/ 2 3 30 k 3 0. 01= 530 hz ,符合設計要求(有用信號頻率范圍主要集中在 0500 hz) ;管腳 7 和 4分別接一個 0. 1f 的瓷片電容 ,用來濾除高頻成分;為了減少失調電流,3 腳接 r2 (其阻值約為 r1 和 r3 的并聯值 1 k) ;ou t端出來的信號送 a/ d 進行模數轉換 ,轉換完成送 cpu 進行數字信號處理。3 析實驗結果及分 圖9 后級放大電路表 3 說明了放大電路輸入輸出信號的關系。ui 為放大電路輸入電壓,uo 為放大電路輸出電壓。其中 ui 是電阻應變傳感器電路在張力變化下所產生的微小電壓信號。放大電路輸入輸出實驗數據如表 3 所示。根據表 3 中數據 ,用 ma tlab 進行最小二乘法直線擬合。用形如 y = k x + b函數來擬合數據 x1 ,y1 , x2 , y2 xn , yn ,由庫函數poly