基于Multisim 8的弱信號放大電路的設(shè)計與仿真

　　1 引言

　　運算放大器（op-amp）簡稱運放，因最初主要用于模擬量的數(shù)學(xué)運算而得名。它是一個高電壓增益、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。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，電路性能設(shè)計的完善，集成運放正以無可比擬的優(yōu)異性深入到各個領(lǐng)域。普通的集成運放一般具有mV 級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫度漂移， 因而將集成運放直接用于微弱信號的放大是十分困難的。然而在工業(yè)自動化控制、過程控制中， 運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。

　　2 ICL7650 性能介紹

　　斬波器穩(wěn)定型運算放大器ICL7650 芯片是Intersil 公司的第四代運算放大器，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 主要有如下幾個特點：

　　1） 極低的輸入失調(diào)電壓：整個工作溫度范圍（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，能減少過載時的恢復(fù)時間；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，實際電路設(shè)計如圖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 在動態(tài)校零中起關(guān)鍵作用，直接影響到運放自動穩(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對稱的ICL7650 集成運放，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)采用實際模型，確保了仿真和設(shè)計結(jié)果的真實性和實用性。由于本設(shè)計是放大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際硬件電路， 但還可能存在著干擾和噪音， 故運用Multisim 8 軟件對設(shè)計的電路進(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。

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。

圖4 雙通道示波器

　　4.5 電路幅頻特性測試

　　本文設(shè)計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

　　本文針對傳感器輸入信號的特點設(shè)計了微弱電信號的前置放大電路，并運用Multisim 8 軟件進(jìn)行了功能仿真。由于采用的斬波穩(wěn)零運放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值。