基於NJM4580運算放大器實現電磁超聲換能器級聯放大電路的設計

2020-12-25 電子發燒友

基於NJM4580運算放大器實現電磁超聲換能器級聯放大電路的設計

韓娜，李松松，李 發表於 2020-12-24 10:54:00

引言

在無損檢測中，EMAT因其獨有的優點被廣泛應用，但經EMAT接受線圈接受到的信號通常很微弱，信號幅值小，一般只有幾十μV到幾百μV，並且對周圍環境噪聲敏感度高，接收信號常被淹沒在噪聲中，輻射模式較寬，能量不集中。為了得到適合顯示觀察的水平，需要對信號進行放大和濾波處理，以減少噪聲和幹擾。為了避免EMAT的接收系統放大倍數過大引起信號失真和自激的現象，通常採用多級放大。主要包括前置放大器、濾波器、主放大器，以及用於在數字設備中的A／D轉換電路等。為了得到更好的結果，前置放大器自然起著至關重要的作用。應用專業的EDA軟體對其進行仿真分析，能夠更迅速準確地分析電路性能，從而選出性能較好更適合需要的電路，本文設計了2種前置放大器，並且利用Multisim10仿真軟體對這2種電路進行了仿真比較。

1 前置放大器

1．1 用NJM4580設計的放大器

在第一種電路設計中，選用NJM4580運算放大器，該放大器是日本新無線公司生產的雙路運算放大器，具有無噪聲、更高的增益帶寬、高輸入電流和低失真度，不僅適用於音響前置放大器的音響電子部分和有源濾波器，還適用於手工測量工具等。

NJM4580的主要特點是：工作電壓為±5～±18 V；低輸入噪聲電壓為0．8μV；增益帶寬為15 MHz；低失真為0．005％；轉換速率為5V／μV；採用雙極技術。應用NJM4580設計的放大器電路如圖1所示。

本設計採用NJM4580，主要是在差分放大電路設計部分保持信號的帶寬，使其不失真。採用3個運算放大器排成2級，由運放U1A，U2A按通向輸入接法組成第1級差分放大電路，運放U3A組成第2級差分放大電路。在第1級電路中，信號源加到U1A的同相端，R6和R3，R4組成的反饋網絡，引入了負反饋。

為了使電路對稱，提高儀用放大器性能，選取的電阻應滿足R3=R4關係，參數嚴格匹配，誤差控制在很小範圍內。經過計算，最終得到輸出電壓的關係如式（1）：

從式（2）中可直觀看到，根據選取R5／R1和R3／R6電阻的比例關係，達到不同信號放大比例的要求。所以電阻的選取也是儀用放大器設計中最重要的環節之一。考慮到電路的穩定和安全，固定R1～R5，R7，R8的阻值，都選精確的10kΩ電阻，只將R6設置成可調，隨著R6的減小，放大倍數越大，帶寬越窄。所以設計時確定R6為2 kΩ。該放大電路是級聯放大電路，為前級放大，而後級級聯放大電路則由2個741級聯構成，共同組成一個完整的信號接收端的前置放大電路。

1．2 應用AD620設計的放大器

在進行微弱信號檢測中，為了減少集成運算放大器對電路的幹擾，應選擇接近理想運算放大器的晶片。要求具有較小的輸入偏執電流、輸入偏執電壓和零漂，具有較大的共模抑制比和輸入電阻。因此，在另一種電路設計中，應用AD620對第一種電路進行改進。AD620是AD公司生產的高精度單片儀表運放，它擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大，而且AD620具有很好的直流和交流特性，更有低功耗、高輸入阻抗、低輸入失調電壓、高共模抑制比等優點，其外部電路連接方便簡單，只需要一個連接於1，8腳的外接電阻就可調節放大倍數。增益G=49．4 kΩ／RG+1。其中：RG為1和8腳連接的外電阻。AD620主要特點有以下幾點：帶寬800 MHz，輸出功率24 mW；功率增益120 dB；工作電壓±15 V；靜態功耗0．48 mW；輸入失調電壓≤60μV；轉換速率1．2 V／μs；最大工作電流1．3 mA；輸入失調電壓5μV；輸入失調漂移最大為1μV／℃；共模抑制比93 dB。應用AD620設計的電路如圖2所示。

2 採用Multisim 10軟體仿真

2．1 軟體介紹

Multisim 10是由美國國家儀器公司（National Instrument，NI公司）推出的，相對於Multisim 10的仿真軟體，它具備更加形象直觀人性化的特點，提供了16 000多個高品質的模擬、數字元器件；各種分析方法（直流掃描分析，參數掃描分析等）；電壓表、電流表和多臺儀器（數字萬用表、函數信號發生器等）。該軟體大多數採用的是實際模型，保證了仿真和實驗結果的真實性和實用性。應用Multisim 10可以進行模擬電路、數字電路、模數混合以及射頻電路的仿真。其中，它的高頻仿真和涉及環境是眾多通用仿真電路軟體中所不具備的。本文設計的是μV級的電壓信號放大。採用了2種方案，通過Multisim 10的仿真來對這兩種電路性能進行比較。

2．2 仿真比較

（1）函數信號發生器的設置。在軟體中打開信號發生器，因本文使用的信號頻率範圍一般為25 kHz～1 MHz，為了模擬傳感器接收到的信號，在此範圍中，選取輸入信號頻率為100 kHz，幅度為100μF的正弦波信號來做分析比較，函數發生器設置如圖3所示。

（2）電路的幅頻特性仿真與比較。應用此軟體中的波特圖儀（Bode Plotter）對兩電路的幅頻特性進行仿真比較，設置的觀察頻率範圍是25 kHz～1 MHz，結果如圖4所示。

通過波特圖可以直接觀察出當輸入信號頻率為25 kHz時，兩電路的增益分別為85 dB和98 dB。比較可以得出，應用AD620改進電路的放大效果較好。通過移動波特圖儀的光標柱可以觀察2個電路在其他頻率時的放大增益。將光標註移動到100kHz，可以直接觀察到此頻率下兩電路的增益分別為60dB和72dB。

以此類推，通過移動光標柱可以獲得輸入信號為其他頻率時的兩電路增益，不同輸入信號頻率下的增益如表1所示。通過比較可知，應用AD620電路的增益高於應用NJM4580電路的增益。

（3）輸出信號波形的比較。在軟體打開示波器，在示波器中進行設置，紅色表示輸入信號，綠色表示放大後的輸出信號。選取頻率100 kHz，幅度100μV的信號，經電路放大，分別得出輸出波形如圖6所示。通過Multisim 10仿真可以很清晰地看出兩電路的輸出波形。為了便於對波形進行觀察，將Channel A（輸入信號通道）設置為100μV／Div，圖6（a）的Channel B（輸出信號通道）設置為100 mV／Div，圖6（b）的Chann el B（輸出信號通道）設置為500 mV。從波形圖可以看出，當輸入信號均為100μF時，兩電路輸出的信號大小分別為100 mV和380 mV，很顯然，應用AD620的改進電路二，放大倍數更大。通過此方法，可以對輸入信號為其他頻率時的輸出波形進行比較。

3 結語

本文針對輸入信號為微幅級的信號，用NJM4580運算放大器設計了與741共同構成的級聯放大電路，並在此基礎上應用AD620對電路進行改進以達到更加優良的性能；利用Multisim 10對設計的2個放大電路進行仿真、比較，從而驗證了應用AD620的放大電路不僅電路構成簡單，而且在放大性能上更加優於應用NJM4580運算放大器構成的差分級聯放大電路。

責任編輯：gt

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