基于AD620芯片的运算放大器

基于AD620芯片的运算放大器一、设计要求及目的设计一个简单的运算放大电路，信号输入有效频率2KHz以下，放大倍数250-300之间。为抑制随机噪声，信号放大后再经过一个简单一阶RC低通滤波器，在不损坏有效信号的同时，最大限度滤除噪声。二、放大电路介绍放大电路是指增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。三、AD620芯片介绍AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。此外，AD620引脚图采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50µV)和低失调漂移(最大0.6µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。AD620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽(±2.3～±18V),设计体积小,功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA),因而适用于低电压、低功耗的应用场合。AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用β工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7KΩ,因而增益方程式为G=49.4KΩ/RG+1对于所需的增益,则外部控制电阻值为RG=49.4/(G-1)kΩAD620的引脚图如图一所示：图1AD620芯片引脚图四、运算放大器电路原理图运算放大电路的原理图如图二所示：12345678U1AD620AR390RR2390RR110KR310KR4+9V-9VVIN+VIN-VOUT图2运算放大电路原理图如上图所示，4、7引脚分别接负正9V电源为AD620提供双电源供电，所以VOUT电压是处于正负9V之间，但因为AD620不是轨到轨运放，所以VOUT不能达到正负9V。3、2引脚分别是差模输入信号的正负输入端，其与地之间接一个10K的电阻是为AD620提供偏置电流。5引脚是参考端，有VOUT=(VIN+-VIN-)G+REF，我们这里将参考端接地。1、8之间串联的电阻是为改变电路增益，这里将两个390R的电阻并联，并联后的阻值为195R,所以此放大电路的电压增益为G=49.4KΩ/195R+1,G=254.3。6引脚是放大电路的输出端。该运算放大电路的仿真结果如下图所示：图3放大电路仿真结果可以看出，输入电压的幅度为20mv，经过放大电路放大后的电压幅度为5.08v左右，放大倍数为25402.008.5，这和设计的放大倍数G=254.3相差很小。五、一阶低通滤波器设计滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。本设计中的滤波器的作用是消除高频噪声的干扰。由于传感器输入来的信号是低频信号，信号频率在2KHZ以下，为了消除高频噪声的干扰，需在信号的输出端串接个低通滤波器。为使电路简单便于应用，这里串接一阶RC低通滤波器，并将截止频率设计在1.8K左右。其电路图如图三所示：390RR10.22uFC1VinVout图4一阶低通滤波器电路图由RCfc21可得该低通滤波器的截止频率为61022.039021cf=1.85K。用multisim12仿真出的结果如图四所示，可以看出其-3dB点大概是1.85K。图5一阶RC低通滤波器波特图六、总结该基于AD620芯片的运算放大电路能有效地放大输入信号，而后置的一阶低通滤波器能消除很大一部分噪声的干扰，该设计能满足预期实验要求。