第22卷第22期电子设计工程
Vol.22No.22ElectronicDesignEngineering
2014年11月Nov.2014
微弱信号高精度线性放大电路的设计
王建宇
（煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁大连116013）
摘要：一般传感器的输出信号多为微弱的线性直流电压信号，电压值在几毫伏到几十毫伏之间，而测量仪表大多采用单片机进行数据的采集与处理，这就要求对传感器的输出信号进行高精度、线性的放大[1]。本文的设计电路由惠斯通电桥电路和两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路由一个双运算放大器构成，双运算放大器可获得的较严格的匹配在性能上有显著提高；第二级运算放大电路实现二次放大和滤波作用。与传统的三运放差分放大电路相比，本设计电路具有较高的共模抑制比和较好线性度。
关键词：微弱信号;高精度;线性放大;运算放大器;共模抑制比中图分类号：TN72
文献标识码：A
文章编号：1674－6236（2014）22-0094-03
Thedesignofweaksignalhigh-precisionlinearamplifiercircuit
WANGJian-yu
（CCTEGShenyangResearchInstitute，Dalian116013,China）
Abstract:ThesignalsoutputfromsensorsaremajorinweakDCforms,whosevaluesarenomorethentensofmillivolts.AsmostinstrumentssamplingandprocesssignalsbyMCU，thesensors’weaksignalmustbeamplifiedinhigherstandards.TheamplifiercircuitiscomposedofWheatstonebridgeandtwolevelsamplifiercircuits.Thefirstleveismainlycomposedbydualoperationalamplifier.Thesecondleveplaysthesecondamplifierandfilterrole.Thecircuitdesignedinthispaperhasahighcommon-moderejectionratioandbetterlinearitycomparedwithtraditionalthreeopampamplifiercircuit.Keywords:weaksignal;high-precision;linearamplification;amplifier;commonmoderejectionratioDOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.22.029
随着半导体技术和芯片技术的快速发展，大部分的运算放大器都实现了单芯片的形式，运算放大器的种类繁多，功能各异，为放大电路的设计提供很大的方便，广泛的应用在电子的各个领域当中。运算放大器是一种具有较大电压放大倍数的电路模块，在实际的应用当中，通常需要多片运算放大器通过反馈网络等有机的组合在一起，完成微弱信号的固定放大。目前，常用的运算放大电路主要有同向比例放大电路、反向比例放大器，负反馈放大电路、差分放大器和桥式放大器[2-4]等。负反馈放大电路是以牺牲放大倍数获得稳定的放大性能，差分放大电路具有较高的共模抑制比和精确的倍数，桥式传感器放大电路具有电路结构简单、较好的线性能。
一个仪器仪表放大器电路应具有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗、精确和稳定的线性增益、极高的共模抑制比（CMRR）。放大器仪表电路的精度和线性度直接关系到仪表测量的精度和准确度[5-6]。因此，仪表中的放大器电路是关系到仪器仪表好坏的关键性因素[7]。
图1
系统原理框图
当传感器部件因外界因素影响其阻值变化时，电桥平衡被打破而产生电位差值。此差值输入至双运算放大器，经双运算放大器放大的信号输入第二级运算放大器。第二级运算放大器对双运放的输出信号进行二次放大和滤波，供后续的单片机对放大信号的采集和处理。系统原理框图如图1所示。
Fig.1Systemblockdiagram
2运算放大器芯片选择
电路中采用的运算放大器芯片为ICL7652，它是一款单
芯片单运算放大器，温度漂移典型值为0.003μV/℃，可以放大μV级电压。同时ICL7652具有较高共模抑制比，对低频噪声具有较好的抑制效果，具有较高的输入阻抗，的因此，
1设计思路
文中介绍的是一种由惠斯通电桥电路和两级运算放大
ICL7652特别适合应用在仪器仪表中微弱信号的放大。
3具体电路设计与分析
1)电桥电路设计
文中电桥电路采用惠斯通电桥，如图2所示。
电路构成的放大电路，电路中将传感器部件接入电桥电路，收稿日期：2013-05-13
稿件编号：201305141
作者简介：王建宇（1989—），男，吉林德惠人。研究方向：信号
获取与信息处理。
－94－
王建宇微弱信号高精度线性放大电路的设计
第一级的放大电路输出为，
Vo=Vo1+Vo2=(Vo1-Vo2)(
2R8R8
++1)910
(5)
根据表达式（5）可以得出，图3所设计的电路符合真正的差分电路的放大要求，可以有效地滤除共模信号，而只有
图2
电桥电路
差分信号被放大。Y1和Y2作为双运算放大器的同时，又是一个具有高输入阻抗的缓冲器，保证V1和V2电压不被降低，所以图3所示电路具有较高的输入阻抗符合一起仪表放大器的技术要求。
在图3所示电路中，调节的阻值，可以线性的改变放大电路的增益。以适合不同场合的应用。为了使电路的CMRR达到最大，可以同时调节R8和R12的大小而不破坏放大电路的平衡状态。
Fig.2Bridge
circuit
电桥平衡时，有
R2R1+RX=43
和V2分别为，
(1)
当RX变化时，电桥平衡被打破，这时电桥电路中的V1
V1=VCC*R2/(RX+R1+R2)V2=VCC*R4/(R4+R3)
2)第一级运算放大电路
第一级运算放大电路由一个双运算放大器的电路构成，电路结构如图3所示。
3)第二级运算放大电路
第二级运算放大电路将第一级的输出信号进行二次放大，同时滤除高频干扰信号。电路如图4所示。
图4
图3
第一级运算放大电路
第二级运算放大电路
Fig.3Thefirstleveamplifier
circuit
Fig.4Thefirstleveamplifier
circuit
电路中，第一级的输出信号接入第二级运算放大器Y3
双运算放大器电路的输入信号为电桥的输出信号的差值，可以有效地抑制共模信号。图中Y1是一个同相比例放大电路，电桥的输出电压信号V2经过Y1放大后输入给Y2的反相输入端，根据叠加原理，当V2≠0，V1=0时有，
的反相输入端，在其反馈回路中接入电阻R6来确定放大倍数，同时R6与C1一起构成一组低通滤波器。通常有用信号集中在0～500Hz的频段，所以，设计的滤波电路的通过频率应大于等于500Hz。根据低通滤波器的特点，电路图中的R6和
Vy2=V21+
Vo1=-R8
VV+29
y2
8
2
10
≠≠
R1+1=-RV+≠R11R11+912
9
91110
C1应满足以下关系式：
500≤1/2（2π×R6×C1)
+R111210
10
≠(1)
同时，为保证集成运算放大器输入级差分放大电路的对称性，R5应与R6和R7组成的电阻阻抗匹配。
当V1≠0，V2=0时有，
VVy2=-1R11
R9
Vo2=V1+R8I=V1+R8
1
8
4
1
整体电路测试
整体电路图如图5所示。电路中各电容电阻参数选取如
VV+VV
=V+R+
1919
101
10
≠VR+
≠
+Vo110
110
119
11
10
10
12
10
表1所示
。
(2)
令R8=R12，R10=R11（1）式和（2）式可简化成如下表达式，
Vo1=-R8
8
VVRR1++1+=-RV+≠≠1+1+1+12R+R+1
=-RV=-V≠≠(3)VVV2R+R+1
+V=V+RI=V+R+=V≠≠(4)29
y2
11
10
8
2
9
9
8
8
2
9
9
1019
12
2
9
10
1
o1
8
8
o2
1
8
1
8
10
10
1
9
10
图5整体电路图
Fig.5Theentirecircuit
－95－
《电子设计工程》2014年第22期
表1电路中元器件参数
调节可调电阻RX，使RX两端的电压在几毫伏到几十毫伏的范围内变化，从而破坏电桥的平衡状态，使V1和V2
R10R111kΩ
R92kΩ
Tab.1Circuitcomponentsparameters
元件参数
R1～R4500Ω
R5R6R71kΩ
R8R124kΩ
的差值输入到运算放大电路的第一级，记录RX两端的电压和放大后的电压。各点电压值记录如表2所示，表中x表示原始信号，单位为mV，y表示放大后的信号单位为mV。
937.5Ω15kΩ
表2测试电压记录表
Tab.2Voltagetestrecord
xy
3.297222.512
6.587444.594
9.87666.232
13.147887.429
16.4181108
19.6821329
22.9391548
26.191768
29.4371987
32.6732
205
根据表中的的测试值，利用Matlab进行最小二乘法的直线拟合，拟合直线如图6所示。
算放大电路满足设计要求，具有一定的实用性，可以应用在微弱信号的放大电路中。参考文献：
[1]许永植，滕军．传感器系统的误差差动补偿技术[J]．国外建
材科技，2004，25(5)：71-74．
XUYong-zhi,TENGJun.Differentialsensorsystemerrorcompensationtechnology[J].ScienceandTechnologyofOverseasBuildingMaterials,2004,25(5):71-74.
[2]张斌．采用TLC2652的高精度放大器[J].电子产品世界，
2003(13)：39—40．
ZHANGBin.UsingTLC2652high-precisionamplifier[J].ElectronicEngineering&ProductWorld,2003(13):39-40.
图6
拟合直线图
Fig.6Fittingline
从拟合直线及各点的分布情况，计算出拟合直线的表
[3]叶昌茂．实用直流放大器的设计[J].电子工程师，2005(10)：
30-32．
YEMao-chang.PracticalDCamplifierdesign[J].ElectronicsEngineers,2005(10)：30-32．
[4]李红萍，马应魁，李泉，等.基于89C54的可控放大器设计
[J].工业仪表与自动化装置，2013（1）：82-84.
LIHong-ping,MAYing-kui,LIQuan，etal.Acontrollableamplifierdesignbasedon89C54[J].IndustrialInstrumenta-tion&Automation，2013（1）：82-84.
[5]AdelS.Sedra，等．微电子电路[M].5版．周玲玲，等译．北京：电
子工业出版社，2006．
达式如下，
y=67.4963x+0.0372188
由上式可以看出，本电路所选参数的放大倍数为约67.5倍，具有非常好的线性度，改变电阻R9可以改变第一级运算放大电路的放大倍数，在需要更高放大倍数的场合，可以在改变R9的同时改变R5和R6的值，取得更大的放大倍数。
根据测试点的取值及拟合直线的情况，利用MATLAB计算出拟合误差，拟合误差为0.788781%，拟合直线误差较小，线性度较好，满足运算放大电路对小信号的放大的设计要求。
5结论
通过实验与MATLAB的联合分析，微弱信号放大电路
[6]唐向红．MATIAB及在电子信息类课程中的应用[M]．北京：
电子工业出版社，2006．
[7]赵新民，王祁．智能仪器设计基础[M]．哈尔滨：哈尔滨工业
大学出版社，1999．
可以满足高精度线性放大的要求，并且利用实验测试的数据进行分析，得出拟合直线及拟合误差，实验表明，该设计的运
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国内刊号：CN61-1477/TN
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国际刊号：ISSN1674-6236
邮政编码：710082
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第22卷第22期电子设计工程
Vol.22No.22ElectronicDesignEngineering
2014年11月Nov.2014
微弱信号高精度线性放大电路的设计
王建宇
（煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁大连116013）
摘要：一般传感器的输出信号多为微弱的线性直流电压信号，电压值在几毫伏到几十毫伏之间，而测量仪表大多采用单片机进行数据的采集与处理，这就要求对传感器的输出信号进行高精度、线性的放大[1]。本文的设计电路由惠斯通电桥电路和两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路由一个双运算放大器构成，双运算放大器可获得的较严格的匹配在性能上有显著提高；第二级运算放大电路实现二次放大和滤波作用。与传统的三运放差分放大电路相比，本设计电路具有较高的共模抑制比和较好线性度。
关键词：微弱信号;高精度;线性放大;运算放大器;共模抑制比中图分类号：TN72
文献标识码：A
文章编号：1674－6236（2014）22-0094-03
Thedesignofweaksignalhigh-precisionlinearamplifiercircuit
WANGJian-yu
（CCTEGShenyangResearchInstitute，Dalian116013,China）
Abstract:ThesignalsoutputfromsensorsaremajorinweakDCforms,whosevaluesarenomorethentensofmillivolts.AsmostinstrumentssamplingandprocesssignalsbyMCU，thesensors’weaksignalmustbeamplifiedinhigherstandards.TheamplifiercircuitiscomposedofWheatstonebridgeandtwolevelsamplifiercircuits.Thefirstleveismainlycomposedbydualoperationalamplifier.Thesecondleveplaysthesecondamplifierandfilterrole.Thecircuitdesignedinthispaperhasahighcommon-moderejectionratioandbetterlinearitycomparedwithtraditionalthreeopampamplifiercircuit.Keywords:weaksignal;high-precision;linearamplification;amplifier;commonmoderejectionratioDOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.22.029
随着半导体技术和芯片技术的快速发展，大部分的运算放大器都实现了单芯片的形式，运算放大器的种类繁多，功能各异，为放大电路的设计提供很大的方便，广泛的应用在电子的各个领域当中。运算放大器是一种具有较大电压放大倍数的电路模块，在实际的应用当中，通常需要多片运算放大器通过反馈网络等有机的组合在一起，完成微弱信号的固定放大。目前，常用的运算放大电路主要有同向比例放大电路、反向比例放大器，负反馈放大电路、差分放大器和桥式放大器[2-4]等。负反馈放大电路是以牺牲放大倍数获得稳定的放大性能，差分放大电路具有较高的共模抑制比和精确的倍数，桥式传感器放大电路具有电路结构简单、较好的线性能。
一个仪器仪表放大器电路应具有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗、精确和稳定的线性增益、极高的共模抑制比（CMRR）。放大器仪表电路的精度和线性度直接关系到仪表测量的精度和准确度[5-6]。因此，仪表中的放大器电路是关系到仪器仪表好坏的关键性因素[7]。
图1
系统原理框图
当传感器部件因外界因素影响其阻值变化时，电桥平衡被打破而产生电位差值。此差值输入至双运算放大器，经双运算放大器放大的信号输入第二级运算放大器。第二级运算放大器对双运放的输出信号进行二次放大和滤波，供后续的单片机对放大信号的采集和处理。系统原理框图如图1所示。
Fig.1Systemblockdiagram
2运算放大器芯片选择
电路中采用的运算放大器芯片为ICL7652，它是一款单
芯片单运算放大器，温度漂移典型值为0.003μV/℃，可以放大μV级电压。同时ICL7652具有较高共模抑制比，对低频噪声具有较好的抑制效果，具有较高的输入阻抗，的因此，
1设计思路
文中介绍的是一种由惠斯通电桥电路和两级运算放大
ICL7652特别适合应用在仪器仪表中微弱信号的放大。
3具体电路设计与分析
1)电桥电路设计
文中电桥电路采用惠斯通电桥，如图2所示。
电路构成的放大电路，电路中将传感器部件接入电桥电路，收稿日期：2013-05-13
稿件编号：201305141
作者简介：王建宇（1989—），男，吉林德惠人。研究方向：信号
获取与信息处理。
－94－
王建宇微弱信号高精度线性放大电路的设计
第一级的放大电路输出为，
Vo=Vo1+Vo2=(Vo1-Vo2)(
2R8R8
++1)910
(5)
根据表达式（5）可以得出，图3所设计的电路符合真正的差分电路的放大要求，可以有效地滤除共模信号，而只有
图2
电桥电路
差分信号被放大。Y1和Y2作为双运算放大器的同时，又是一个具有高输入阻抗的缓冲器，保证V1和V2电压不被降低，所以图3所示电路具有较高的输入阻抗符合一起仪表放大器的技术要求。
在图3所示电路中，调节的阻值，可以线性的改变放大电路的增益。以适合不同场合的应用。为了使电路的CMRR达到最大，可以同时调节R8和R12的大小而不破坏放大电路的平衡状态。
Fig.2Bridge
circuit
电桥平衡时，有
R2R1+RX=43
和V2分别为，
(1)
当RX变化时，电桥平衡被打破，这时电桥电路中的V1
V1=VCC*R2/(RX+R1+R2)V2=VCC*R4/(R4+R3)
2)第一级运算放大电路
第一级运算放大电路由一个双运算放大器的电路构成，电路结构如图3所示。
3)第二级运算放大电路
第二级运算放大电路将第一级的输出信号进行二次放大，同时滤除高频干扰信号。电路如图4所示。
图4
图3
第一级运算放大电路
第二级运算放大电路
Fig.3Thefirstleveamplifier
circuit
Fig.4Thefirstleveamplifier
circuit
电路中，第一级的输出信号接入第二级运算放大器Y3
双运算放大器电路的输入信号为电桥的输出信号的差值，可以有效地抑制共模信号。图中Y1是一个同相比例放大电路，电桥的输出电压信号V2经过Y1放大后输入给Y2的反相输入端，根据叠加原理，当V2≠0，V1=0时有，
的反相输入端，在其反馈回路中接入电阻R6来确定放大倍数，同时R6与C1一起构成一组低通滤波器。通常有用信号集中在0～500Hz的频段，所以，设计的滤波电路的通过频率应大于等于500Hz。根据低通滤波器的特点，电路图中的R6和
Vy2=V21+
Vo1=-R8
VV+29
y2
8
2
10
≠≠
R1+1=-RV+≠R11R11+912
9
91110
C1应满足以下关系式：
500≤1/2（2π×R6×C1)
+R111210
10
≠(1)
同时，为保证集成运算放大器输入级差分放大电路的对称性，R5应与R6和R7组成的电阻阻抗匹配。
当V1≠0，V2=0时有，
VVy2=-1R11
R9
Vo2=V1+R8I=V1+R8
1
8
4
1
整体电路测试
整体电路图如图5所示。电路中各电容电阻参数选取如
VV+VV
=V+R+
1919
101
10
≠VR+
≠
+Vo110
110
119
11
10
10
12
10
表1所示
。
(2)
令R8=R12，R10=R11（1）式和（2）式可简化成如下表达式，
Vo1=-R8
8
VVRR1++1+=-RV+≠≠1+1+1+12R+R+1
=-RV=-V≠≠(3)VVV2R+R+1
+V=V+RI=V+R+=V≠≠(4)29
y2
11
10
8
2
9
9
8
8
2
9
9
1019
12
2
9
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1
o1
8
8
o2
1
8
1
8
10
10
1
9
10
图5整体电路图
Fig.5Theentirecircuit
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《电子设计工程》2014年第22期
表1电路中元器件参数
调节可调电阻RX，使RX两端的电压在几毫伏到几十毫伏的范围内变化，从而破坏电桥的平衡状态，使V1和V2
R10R111kΩ
R92kΩ
Tab.1Circuitcomponentsparameters
元件参数
R1～R4500Ω
R5R6R71kΩ
R8R124kΩ
的差值输入到运算放大电路的第一级，记录RX两端的电压和放大后的电压。各点电压值记录如表2所示，表中x表示原始信号，单位为mV，y表示放大后的信号单位为mV。
937.5Ω15kΩ
表2测试电压记录表
Tab.2Voltagetestrecord
xy
3.297222.512
6.587444.594
9.87666.232
13.147887.429
16.4181108
19.6821329
22.9391548
26.191768
29.4371987
32.6732
205
根据表中的的测试值，利用Matlab进行最小二乘法的直线拟合，拟合直线如图6所示。
算放大电路满足设计要求，具有一定的实用性，可以应用在微弱信号的放大电路中。参考文献：
[1]许永植，滕军．传感器系统的误差差动补偿技术[J]．国外建
材科技，2004，25(5)：71-74．
XUYong-zhi,TENGJun.Differentialsensorsystemerrorcompensationtechnology[J].ScienceandTechnologyofOverseasBuildingMaterials,2004,25(5):71-74.
[2]张斌．采用TLC2652的高精度放大器[J].电子产品世界，
2003(13)：39—40．
ZHANGBin.UsingTLC2652high-precisionamplifier[J].ElectronicEngineering&ProductWorld,2003(13):39-40.
图6
拟合直线图
Fig.6Fittingline
从拟合直线及各点的分布情况，计算出拟合直线的表
[3]叶昌茂．实用直流放大器的设计[J].电子工程师，2005(10)：
30-32．
YEMao-chang.PracticalDCamplifierdesign[J].ElectronicsEngineers,2005(10)：30-32．
[4]李红萍，马应魁，李泉，等.基于89C54的可控放大器设计
[J].工业仪表与自动化装置，2013（1）：82-84.
LIHong-ping,MAYing-kui,LIQuan，etal.Acontrollableamplifierdesignbasedon89C54[J].IndustrialInstrumenta-tion&Automation，2013（1）：82-84.
[5]AdelS.Sedra，等．微电子电路[M].5版．周玲玲，等译．北京：电
子工业出版社，2006．
达式如下，
y=67.4963x+0.0372188
由上式可以看出，本电路所选参数的放大倍数为约67.5倍，具有非常好的线性度，改变电阻R9可以改变第一级运算放大电路的放大倍数，在需要更高放大倍数的场合，可以在改变R9的同时改变R5和R6的值，取得更大的放大倍数。
根据测试点的取值及拟合直线的情况，利用MATLAB计算出拟合误差，拟合误差为0.788781%，拟合直线误差较小，线性度较好，满足运算放大电路对小信号的放大的设计要求。
5结论
通过实验与MATLAB的联合分析，微弱信号放大电路
[6]唐向红．MATIAB及在电子信息类课程中的应用[M]．北京：
电子工业出版社，2006．
[7]赵新民，王祁．智能仪器设计基础[M]．哈尔滨：哈尔滨工业
大学出版社，1999．
可以满足高精度线性放大的要求，并且利用实验测试的数据进行分析，得出拟合直线及拟合误差，实验表明，该设计的运
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