高精度高稳定度极微弱信号放大器的设计.pdf

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1、高精度、高稳定度极微弱信号放大器的设计1、摘要当代，由于各类传感器输出的信号多为微弱的电压信号，而测量仪器需要将这些微弱的电压信号经放大器放大后接入A/D转换器供计算机处理。因此该仪器中微弱信号放大器的精度、稳定度的高低直接关系到仪器性能的好坏。而笔者所设计的电路是对极微弱的交流电压进行放大，系统要求将0—50µV的极微弱交流信号放大到0—2.5V，供24位A/D转换器使用。因此对该放大电路的稳定性、线形等指标要求很高。在所设计的放大电路中，采用了INA118高精度、低噪声仪表放大器，在电路的各个功能模块中，分别采用了虚地、分级滤波等各种去除噪声的措施。使电路的各项性能指标都达

2、到要求。关键词：微弱信号，仪表放大器，分级滤波。2、放大电路设计图1为一般集成运算放大器构成的具有抑制共模干扰的典型电路。由于该电路采用+12VAD797GND输入++-GND-12V-12VAD797GND-+GND-12V+12VAD797GND-输入-+GNDGND+12V图1放大电路分立元件构成，噪声进入系统的渠道很多，对系统的精度影响较大，对一般放大器来讲是可以满足要求的，但对输入为微伏级的微弱信号来说，噪声已完全淹没了信号，在输出端无法鉴别出来。由于电源与信号共地，共地串入的干扰对系统的精度也有较大的影响。实验证明，该系统无法对微弱信号进行有效的抑制噪声，而且噪声的

3、源头较多，输入电压0—50µV内，放大器的放大倍数线性较差（∆A=5%）。达不到高精度、高稳定度测V量极微弱信号的要求。仪表放大器经过快速的发展，现已出现了很多型号的集成仪表放大器，如AD625、AD620、AD624、AD522等。也出现了一些高精度，高稳定度的集成仪表放大器，如INA118、INA112、INA2118等。该电路采用的INA118集成仪表放大器，它是一种精密、低功耗集成仪表放大器，其主要参数为：供电电压范围：1.35V—±18V；增益范围为：1—1000；最大00增益误差(G=1000,25C)：0.5%；共模抑制比为：110dB；失调电压漂移：±0.5uV

4、/C；噪声为：9nVHz。实际电路如图2。基金资助项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金。项目编号：05E7039RGV++5VR1018C3C4输入-27R4R5R1R2+5V36V1B+GND4VC1C2+5V输入+0B+C5C6V45VR93800A输出---VR15R1635-P+V+0C26输出+V−R7R8GNDR3R4GND-R11+5VR17R18GND137GNDGND图2放大电路图对于放大器而言，特别是微弱输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常，因此采用放大器的虚地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。

5、将输入信号定为V=40µV、f=3Hz，其各阶段波形经过计算机处理。信号首先经过仪表放大器INA118的放大。（I）前置放大电路主要由仪表放大器INA118构成。图3是INA118的内部结构图，该仪表放大器的放大倍数由R决定。GRGV+18输入-72输出36输入+45V−图3INA118放大电路图由于我们需要放大的是极其微弱的电压信号，噪声的幅度远远大于信号的幅度，如果将INA118的倍数调的过大，就会导致后续放大电路的饱和，设计的仪表放大器放大倍数为50kΩA=1+=6倍V1RG21.510.5mV0-0.50100200300400500-1-1.5-2次图4INA118的

6、输出信号由于噪声与信号同时放大，不利于后续放大电路的工作，所以，信号经仪表放大器放大后需要进行滤波，而普通的一阶高通、低通滤波电路，由于滤波陡度较为平缓，滤波效果较差，不能有效地达到我们的要求，在本系统中采用二阶压控高通、低通滤波电路。有效地滤出了噪声。（II）二阶压控低通、高通电路基金资助项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金。项目编号：05E7039其二阶低通滤波电路如图5。+5VC3C4R4R5V1B+V0B-R7R8GND图5二阶低通滤波电路其传递函数为：VA0BVF1A(s)==2V1B1+(3−AVF1)sC3R4+(sC3R4)R4其中：A=1+=2VF1R3

7、1低通滤波截至频率为：f==15.3HzL2πRC43R1R2+5VVC1C21A+V0A-R3R4GND图6二阶高通滤波电路在图6中其电路的传递函数为：VA0AVF2A(s)==V1121A1+(3−A)+()VF2sCRsCR1111R8其中：A=1+=2VF2R71高通滤波截至频率为：f==0.338HzH2πRC12其波形如图7：基金资助项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金。项目编号：05E70391.510.5mV00100200300400500-0.5-1-1.5次图7滤