微弱信號調理電路的設計

摘 要： 介紹了一種由AD620和AD705運算放大器構成的信號調理電路的設計方法。該電路能將傳感器檢測出的微弱信號進行放大、濾波等處理，使之成為后續(xù)電路能接收的標準信號。
關鍵詞： 集成運算放大器；信號調理；電路設計

　信號調理電路廣泛應用在工業(yè)控制、儀器儀表等對傳感器信號進行檢測及處理的應用中。它是傳感器和A/D轉換器等后續(xù)裝置的接口。它將傳感器輸出的非常微弱的且受到多種噪聲源干擾的低電平信號進行放大、處理、抑制噪聲并統(tǒng)一格式，使之成為適合A/D轉換器等后續(xù)裝置要求的信號。對于不同的被測對象，所采用的傳感器的種類很多，對信號調理電路提出了不同的要求。結合A/D轉換器等后續(xù)裝置的技術指標設計一個性能良好的信號調理電路已經(jīng)成為系統(tǒng)設計的關鍵內容。本文以A1323線性霍爾傳感器檢測弱磁信號為例，探討相應的信號調理電路的設計方法。
1 信號調理電路中放大器芯片的選用
　運算放大器作為信號調理電路中的重要元件，一直為電路設計工程師所重視。根據(jù)傳感器的類型、信號調理電路及其不同功能來選擇合適的運算放大器，是設計工程師經(jīng)常面臨的問題。在本文中，弱磁信號經(jīng)高靈敏度且對溫度穩(wěn)定的A1323線性霍爾傳感器變換為電信號后，還是非常微弱，只是毫伏級的電壓信號。因此，對后續(xù)的調理電路提出了具體要求：要具有很好的直流特性，即有較低的溫度漂移，較低的輸入失調電壓和較小的輸入偏置電流；要有較高的共模抑制比和較大的增益（幾百倍）；要有低功耗和低噪聲等。
根據(jù)這一要求，在設計中選用AD620型集成運放芯片。AD620具有以下特點[1]：
?。?）很好的直流特性。最大輸入失調電壓為50 μV，最大輸入偏置電流僅為2.0 nA，最大溫度漂移僅為1 μV/℃。供電電源范圍為±2.3 V～±18 V，最大供電電流僅為1.3 mA（低功耗）。
　（2）很低的噪聲。在1 kHz時，輸入電壓噪聲為9 nV；在0.1 Hz～10 Hz時，輸入電壓噪聲的最大值為0.14 μV，輸入電流噪聲為0.1 pA。
?。?）較大的增益。AD620的放大倍數(shù)可設置為1～1 000。
?。?）較高的共模抑制比。AD620的共模抑制比可達100 dB。
　（5）功耗低、精度高且體積小。以SOIC或DIP封裝，價格適中。
　AD620的管腳功能如圖1所示。其中，1、8腳外接調整電阻；2、3腳外接輸入信號的兩極（2接信號的負極，3接信號的正極）；4、7腳接外部電源的兩極（4接電源的負極，7接電源的正極）；5腳為參考端，一般情況下與地連接；6腳為放大后信號的輸出端。內部電路如圖2所示。電路的放大倍數(shù)可以由內部增益調節(jié)電阻Rg精確調節(jié)，當內部增益電阻R1和R2被精確確定為24.7 kΩ時，其放大倍數(shù)K的調節(jié)公式為[2]：

2 信號調理電路中參數(shù)的確定
　利用AD620所設計的信號調理電路如圖3所示。該電路也可稱為儀用放大器，其主要功能為：是高精度放大霍爾傳感器輸出的微弱的信號；具有較高的共模抑制比，抑制共模干擾，提高信噪比；采用濾波方法提高信號質量；采用差動輸入以減少零漂[3]。
　信號調理電路中的A2是由AD705構成的電壓跟隨器，作緩沖級，起阻抗變換作用，為后級濾波器高品質的工作提供保證。此外，還起隔離作用，隔離放大器放大過程、電壓提升過程中的噪聲。A3是由AD705構成的濾波電路，用來保證輸出高質量的信號，以滿足后續(xù)信號采集的要求。該檢測過程要求放大電路的放大倍數(shù)調節(jié)到100倍，由于放大倍數(shù)并不是很高，因此，濾波電路A3采用RC濾波。由于采樣頻率很低，因此，濾波器為低通濾波，低通濾波器的截止頻率為10 Hz，低于10 Hz的信號通過。電路選用低溫度系數(shù)的精密電阻，以獲得盡可能低的漂移；R1、R2和R4、R5的選擇應盡可能匹配。采取在電源的引入端采用電源退耦電容，以消除電源所帶來的波紋干擾。在信號輸入端增加RC濾波器等措施，以增強電路的抗干擾能力。該電路的主要性能指標為：高輸入阻抗（1 012~ 1 014 kΩ）；高共模抑制比（≈106）；低輸入偏置電流（納安級）；低噪聲、低功耗、差分輸入、單端輸出且工作穩(wěn)定。