基於Multisim 8的弱信號放大電路的設計與仿真

　　1 引言

　　運算放大器（op-amp）簡稱運放，因最初主要用於模擬量的數學運算而得名。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、應用最廣泛的一種模擬集成電路。隨著集成電路技術的迅速發展，電路性能設計的完善，集成運放正以無可比擬的優異性深入到各個領域。普通的集成運放一般具有mV 級的失調電壓和每度數微伏的溫度漂移， 因而將集成運放直接用於微弱信號的放大是十分困難的。然而在工業自動化控制、過程控制中， 運放常被用於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無法正常工作，ICL7650 正是為適應上述要求而研製成功的。

　　2 ICL7650 性能介紹

　　斬波器穩定型運算放大器ICL7650 晶片是Intersil 公司的第四代運算放大器，性能極為優越穩定， 因而在精密儀表、微弱信號的檢測及過程控制系統中作為前置放大器應用很廣。

　　ICL7650 主要有如下幾個特點：

　　1） 極低的輸入失調電壓：整個工作溫度範圍（約100 ℃） 內只有±1μV ; 輸入偏置電流低： 15pA （典型值） ;

　　2） 失調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） 極高的開環增益，CMRR ，PSRR 均≥130 dB ; 較高的轉換速率： SR = 0. 5 V/μs ;

　　4） 單位增益帶寬BWG=2 MHz，並具有內部補償，相位裕度≥80;

　　5） 內部有箝位電路，能減少過載時的恢復時間；在輸入端、輸出端只有極微小的斬波尖峰洩漏。

　　3 用ICL7650 設計弱信號的前置放大電路

　　根據上述分析，結合儀用放大器的原理，實際電路設計如圖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幹擾。採樣電容C2、C3 在動態校零中起關鍵作用，直接影響到運放自動穩零的精度，故選用高阻抗、瓷介質、聚本乙烯材料的優質電容，其值可取0.1μF.R3 與C6 組成濾波網絡，用來濾去ICL7650 模擬開關換向所帶來的斬波尖峰噪聲，減小輸出電壓中的過衝。

　　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。由於整個電路的失調電壓及漂移與第一級有密切關係， 因此A1、A2 選用了具有超低失調電壓和超低漂移的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 採用Multisim 8 軟體進行仿真

　　4.1 Multisim 8 軟體介紹

　　Multisim 8 軟體由加拿大Interactive Image Technology 公司推出的電子電路仿真軟體EWB（ Electronics WorkBench） 發展而來，它繼承了EWB 直觀的電路仿真與設計界面， 並發展了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計與仿真的絕大部分場合， 可以方便地對模擬、數字或混合電路進行仿真， 且大多數採用實際模型，確保了仿真和設計結果的真實性和實用性。由於本設計是放大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、外界幹擾、信道的傳輸等， 都將嚴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體電路， 但還可能存在著幹擾和噪音， 故運用Multisim 8 軟體對設計的電路進行性能仿真分析。

　　4.2 創建仿真電路原理圖

　　根據圖1 所設計的電路原理圖進行仿真電路圖的創建， 得到如圖2 所示的仿真電路圖。

 

圖2 仿真電路