微弱信号高精度线性放大电路的设计_王建宇

的差分电路的放大要求，可以有效地滤除共模信号，而只有
差分 信 号被 放 大 。 Y1 和 Y2 作 为 双 运算 放 大 器的 同 时 ，又是
一个具有高输入阻抗的缓冲器，保证 V1 和 V2 电压不被降低， 所以图 3 所示电路具有较高的输入阻抗符合一起仪表放大
器的技术要求。
在图 3 所示电路中，调节的阻值，可以线性的改变放大
材 科 技 ，2004，25(5)：71-74．
XU Yong -zhi,TENG Jun. Differential sensor system error
compensation technology [J]. Science and Technology of
Overseas Building Materials,2004,25(5):71-74.
电路具有较高的共模抑制比和较好线性度。
关键词：微弱信号;高精度;线性放大;运算放大器;共模抑制比
中 图 分 类 号 ：TN72
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2014）22-0094-03
The design of weak signal high-precision linear amplifier circuit
500≤1/2（2π×R6 ×C1 ) 同时， 为保证集成运算放大器输入级差分放大电路的对称 性，R5 应与 R6 和 R7 组成的电阻阻抗匹配。
4 整体电路测试
整体电路图如图 5 所示。 电路中各电容电阻参数选取如 表 1 所示。
图 5 整体电路图 Fig. 5 The entire circuit
电路的增益。 以适合不同场合的应用。 为了使电路的 CMRR
达到 最 大，可 以 同 时 调 节 R8 和 R12 的大 小 而 不破 坏 放 大电 路 的平衡状态。
3)第 二 级 运 算 放 大 电 路
第二级运算放大电路将第一级的输出信号进行二次放
大，同时滤除高频干扰信号。 电路如图 4 所示。
图 3 第一级运算放大电路 Fig. 3 The first leve amplifier circuit
单片机进行数据的采集与处理，这就要求对传感器的输出信号进行高精度、线性的放大[1]。 本文的设计电路由惠斯通电
桥电路和两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路由一个双运算放大器构成，双运算放大器可获得的较严格的匹
配在性能上有显著提高；第二级运算放大电路实现二次放大和滤波作用。 与传统的三运放差分放大电路相比，本设计
V1 + V1 + V1 R11 R9 R10 R10 R9
(2)
令 R8=R12，R10=R11（1）式 和 （2）式可 简 化 成如 下 表 达式 ，
≠ ≠ ≠ ≠ Vo1 =-R8
V2 + Vy2 R9 R10
=-R8 V2
1 + R11 + 1 + R11 R9 R9 R10 R10 R12 R10
[2] 张 斌 ． 采 用 TLC2652 的 高 精 度 放 大 器 [J]. 电 子 产 品 世 界 ，
2003(13)：39—40．
ZHANG Bin. Using TLC2652 high -precision amplifier [J].
随着半导体技术和芯片技术的快速发展， 大部分的运 当传感器部件因外界因素影响其阻值变化时，电桥平衡被打
算放大器都实现了单芯片的形式， 运算放大器的种类繁多， 破而产生电位差值。 此差值输入至双运算放大器，经双运算
功能各异，为放大电路的设计提供很大的方便，广泛的应用 放大器放大的信号输入第二级运算放大器。 第二级运算放大
图 1 系统原理框图 Fig. 1 System block diagram
2 运算放大器芯片选择
低的输出阻抗、精确和稳定的线性增益、极高的共模抑制比
电路中采用的运算放 大器 芯片 为 ICL7652， 它 是一 款 单
（CMRR）。 放大器仪表电路的精度和 线 性度 直 接 关系 到 仪 表 芯 片 单 运 算 放 大 器 ，温 度 漂 移 典 型 值 为 0.003 μV/℃，可 以 放
在电子的各个领域当中。 运算放大器是一种具有较大电压放 器对双运放的输出信号进行二次放大和滤波，供后续的单片
大倍数的电路模块，在实际的应用当中，通常需要多片运算 机对放大信号的采集和处理。 系统原理框图如图 1 所示。
放大器通过反馈网络等有机的组合在一起，完成微弱信号的
固定放大。 目前，常用的运算放大电路主要有同向比例放大
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《电子设计工程》2014 年第 22 期
元件 参数
表 1 电路中元器件参数
Tab.1 Circuit components parameters
R1～R4
R5
R6
R7
R8R12 R10R11 R9
500 Ω 937.5 Ω 15 kΩ 1 kΩ 4 kΩ 1 kΩ 2 kΩ
调节 可 调电 阻 RX， 使 RX 两 端 的 电 压 在 几 毫 伏 到 几 十 毫伏的范围内变 化 ， 从而 破 坏 电桥 的 平 衡状 态 ， 使 V1 和 V2 的 差 值 输入 到 运 算放 大 电 路 的 第 一 级 ，记 录 RX 两 端 的 电 压 和放大后的电压。 各点电压值记录如表 2 所示，表中 x 表示 原始信号，单位为 mV，y 表示放大后的信号单位为 mV。
ICL7652 特别适合应用在仪器仪表中微弱信号的放大。
3 具体电路设计与分析
电路构成的放大电路， 电路中将传感器部件接入电桥电路，
1)电 桥 电 路 设 计
收 稿 日 期 ：2013-05-13
稿 件 编 号 ：201305141
文中电桥电路采用惠斯通电桥，如图 2 所示。
作者简介：王建宇（1989—），男，吉林德惠人。 研究方向：信号获取与信息处理。
根据表中的的测试值，利 用 Matlab 进行 最 小 二乘 法 的 直 算 放 大 电 路 满 足 设 计 要 求 ，具 有 一 定 的 实 用 性 ，可 以 应 用 在
线拟合，拟合直线如图 6 所示。
微弱信号的放大电路中。
参考文献：
[1]许 永 植 ，滕 军．传 感 器 系 统 的 误 差 差 动 补 偿 技 术[J]．国 外 建
V2 + Vy2 R9 R10
=-R8 V2
1 + R11 + 1 + R11 R9 R9 R10 R10 R12 R10
(1)
当 V1≠0，V2=0 时有，
Vy2 =-
V1 R9
R11
≠ ≠ Vo2 =V1 +R8 I=V1 +R8
V1 + V1 + Vo1 R9 R10 R10
≠ ≠ =V1 +R8
－94－
王建宇 微弱信号高精度线性放大电路的设计
图 2 电桥电路 Fig. 2 Bridge circuit 电桥平衡时，有
R2 = R1 +RX
(1)
R4
R3
当 RX 变 化 时 ，电 桥 平 衡 被 打 破 ，这 时 电 桥 电 路 中 的 V1
和 V2 分别为，
V1 =VCC*R2 /(RX+R1 +R2 )
测量 的 精 度和 准 确 度[5-6]。 因 此 ，仪 表中 的 放 大器 电 路 是关 系 大 μV 级电压。 同时 ICL7652 具有较高共模抑制比，对低频噪
到 仪器 仪 表 好坏 的 关 键性 因 素[7]。
声具有较好的抑制效果， 具有较高的输入阻抗， 的因此，
1 设计思路
文中介绍的是一种由惠斯通电桥电路和两级运算放大
V2 =VCC*R4 /(R4 +R3 )
2)第 一 级 运 算 放 大 电 路
第一级运算放大电路由一个双运算放大器的电路构
成，电路结构如图 3 所示。
第一级的放大电路输出为，
Vo =Vo1 +Vo2 =(Vo1 -Vo2 )(
2R8 R9
+
R8 R10
+1)
(5)
根 据 表 达 式 （5）可 以 得 出 ，图 3 所 设 计 的 电 路 符 合 真 正
表 2 测试电压记录表
Tab.2 Voltage test record
x
3.297
6.587
9.87
13.147
16.418
19.682
22.939
26.19
29.437
32.673
பைடு நூலகம்
y
222.512 444.594 666.232 887.429
1 108
1 329
1 548
1 768
1 987
2 205
电路、反向比例放大器，负反馈放大电路、差分放大器和桥式
放大 器[2-4]等 。 负反 馈 放 大电 路 是 以牺 牲 放 大倍 数 获 得稳 定 的 放大性能，差分放大电路具有较高的共模抑制比和精确的倍 数，桥式传感器放大电路具有电路结构简单、较好的线性能。
一个仪器仪表放大器电路应具有极高的输入阻抗、极
≠ ≠ ≠ ≠ =-R8V2
1 +1 + 1 + 1 R9 R9 R10 R12
=-V2
2R8 + R8 +1 R9 R10
(3)
≠ ≠ ≠ ≠ Vo2 =V1 +R8 I=V1 +R8
V1 + V1 + Vo1 R9 R10 R10
=V1
2R8 + R8 +1 R9 R10
(4)
图 4 第二级运算放大电路 Fig. 4 The first leve amplifier circuit 电路 中 ， 第一 级 的 输 出 信 号 接 入 第 二 级 运 算 放 大 器 Y3 的 反 相输 入 端 ， 在其 反 馈 回路 中 接 入 电 阻 R6 来 确 定 放 大 倍 数，同时 R6 与 C1 一起构成一组低通滤波器。通常有用信号集 中在 0～500 Hz 的 频段 ，所 以 ，设计 的 滤 波 电 路 的 通 过 频 率 应 大于等于 500 Hz。 根据低通滤波器的特点，电路图中的 R6 和 C1 应满足以下关系式：