基于NJM4580運算放大器實現(xiàn)電磁超聲換能器級聯(lián)放大電路的設(shè)計

引言

在無損檢測中，EMAT因其獨有的優(yōu)點被廣泛應用，但經(jīng)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，并且對周圍環(huán)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，以減少噪聲和干擾。為了避免EMAT的接收系統(tǒng)放大倍數(shù)過大引起信號失真和自激的現(xiàn)象，通常采用多級放大。主要包括前置放大器、濾波器、主放大器，以及用于在數(shù)字設(shè)備中的A／D轉(zhuǎn)換電路等。為了得到更好的結(jié)果，前置放大器自然起著至關(guān)重要的作用。應用專業(yè)的EDA軟件對其進行仿真分析，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(shè)計了2種前置放大器，并且利用Multisim10仿真軟件對這2種電路進行了仿真比較。

1 前置放大器

1．1 用NJM4580設(shè)計的放大器

在第一種電路設(shè)計中，選用NJM4580運算放大器，該放大器是日本新無線公司生產(chǎn)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，不僅適用于音響前置放大器的音響電子部分和有源濾波器，還適用于手工測量工具等。

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(zhuǎn)換速率為5V／μV；采用雙極技術(shù)。應用NJM4580設(shè)計的放大器電路如圖1所示。

本設(shè)計采用NJM4580，主要是在差分放大電路設(shè)計部分保持信號的帶寬，使其不失真。采用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(wǎng)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(guān)系，參數(shù)嚴格匹配，誤差控制在很小范圍內(nèi)。經(jīng)過計算，最終得到輸出電壓的關(guān)系如式（1）：

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從式（2）中可直觀看到，根據(jù)選取R5／R1和R3／R6電阻的比例關(guān)系，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(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)之一?？紤]到電路的穩(wěn)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(shè)置成可調(diào)，隨著R6的減小，放大倍數(shù)越大，帶寬越窄。所以設(shè)計時確定R6為2 kΩ。該放大電路是級聯(lián)放大電路，為前級放大，而后級級聯(lián)放大電路則由2個741級聯(lián)構(gòu)成，共同組成一個完整的信號接收端的前置放大電路。

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1．2 應用AD620設(shè)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干擾，應選擇接近理想運算放大器的芯片。要求具有較小的輸入偏執(zhí)電流、輸入偏執(zhí)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(shè)計中，應用AD620對第一種電路進行改進。AD620是AD公司生產(chǎn)的高精度單片儀表運放，它擁有差分式結(jié)構(gòu)，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(diào)電壓、高共模抑制比等優(yōu)點，其外部電路連接方便簡單，只需要一個連接于1，8腳的外接電阻就可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。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(tài)功耗0．48 mW；輸入失調(diào)電壓≤60μV；轉(zhuǎn)換速率1．2 V／μs；最大工作電流1．3 mA；輸入失調(diào)電壓5μV；輸入失調(diào)漂移最大為1μV／℃；共模抑制比93 dB。應用AD620設(shè)計的電路如圖2所示。

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2 采用Multisim 10軟件仿真

2．1 軟件介紹

Multisim 10是由美國國家儀器公司（National Instrument，NI公司）推出的，相對于Multisim 10的仿真軟件，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(zhì)的模擬、數(shù)字元器件；各種分析方法（直流掃描分析，參數(shù)掃描分析等）；電壓表、電流表和多臺儀器（數(shù)字萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器等）。該軟件大多數(shù)采用的是實際模型，保證了仿真和實驗結(jié)果的真實性和實用性。應用Multisim 10可以進行模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合以及射頻電路的仿真。其中，它的高頻仿真和涉及環(huán)境是眾多通用仿真電路軟件中所不具備的。本文設(shè)計的是μV級的電壓信號放大。采用了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(shù)信號發(fā)生器的設(shè)置。在軟件中打開信號發(fā)生器，因本文使用的信號頻率范圍一般為25 kHz～1 MHz，為了模擬傳感器接收到的信號，在此范圍中，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(shù)發(fā)生器設(shè)置如圖3所示。

（2）電路的幅頻特性仿真與比較。應用此軟件中的波特圖儀（Bode Plotter）對兩電路的幅頻特性進行仿真比較，設(shè)置的觀察頻率范圍是25 kHz～1 MHz，結(jié)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。將光標注移動到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電路的增益高于應用NJM4580電路的增益。

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（3）輸出信號波形的比較。在軟件打開示波器，在示波器中進行設(shè)置，紅色表示輸入信號，綠色表示放大后的輸出信號。選取頻率100 kHz，幅度100μV的信號，經(jīng)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。為了便于對波形進行觀察，將Channel A（輸入信號通道）設(shè)置為100μV／Div，圖6（a）的Channel B（輸出信號通道）設(shè)置為100 mV／Div，圖6（b）的Chann el B（輸出信號通道）設(shè)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(shù)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(jié)語

本文針對輸入信號為微幅級的信號，用NJM4580運算放大器設(shè)計了與741共同構(gòu)成的級聯(lián)放大電路，并在此基礎(chǔ)上應用AD620對電路進行改進以達到更加優(yōu)良的性能；利用Multisim 10對設(shè)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(gòu)成簡單，而且在放大性能上更加優(yōu)于應用NJM4580運算放大器構(gòu)成的差分級聯(lián)放大電路。

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