小信号线性放大器的关键设计

小信号放大器主要功能是对一些传感器小信号的放大，产品长期工作保证小信号放大后的真实性，确保产品长期可靠工作，是设计中的关键。小信号放大器是采用普通运算放大器，利用比例放大功能，用两级反相放大实现。设计主要思想为功能实现的同时电路尽量简单、可靠，该电路设计关键是如何保证小信号放大后线性度较好，以及长期工作后，放大线性比较好。实际使用的运算放大器由于开环差模增益Aod、差模输入电阻Rid和共模抑制比Kcmr为有限值，且输入失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂dUIO/dT、dIIO/dT均不为零，而是一些很小的确定值，必然造成误差。如何做好小信号的放大，并保障放大后的信号线性度较好、不失真是设计中的关键。

比例放大器具有高输入阻抗，低输出电阻的特点，因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，可以选用高共模抑制比的运算放大器。因同相比例运算放大器在输入差模信号的同时伴随着共模信号输入，影响运算误差，所以采用反相比例运算放大器。反相比例放大器是典型的电压并联负反馈电路，影响反相比例放大器主要有三种情况：

(1)开环电压放大倍数Auo和输入电阻Rid为有限值的影响;

(2)有限开环电压放大倍数Auo和非零输出电阻R0的影响;

(3)输入失调电压UiO、失调电流IIO和偏置电流的影响。

反相比例放大器电路中，闭环电压放大倍数Auf的相对误差δA与开环电压放大倍数Auo、输入阻抗Rid、输出电阻Ro、偏置电流IB和失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂dUIO/dT有关。开环电压放大倍数Auo、输入阻抗Rid越大，输出电阻Ro越小，相对误差δA就越小，闭环电压放大倍数Auf越接近理论值。偏执电流IB引起的误差可通过可通过调节电阻来消除，失调电压UIO、失调电流IIO引起的误差可通过选用合适的调零电路来消除。但是温漂dUIO/dT所产生的误差不能够通过外部电路消除，因此就需选用温漂小的集成运算放大器。

小信号放大器选用运算放大器为OP07，该器件是一种低噪声，非斩波稳零的双极性(双电源供电)运算放大器集成电路, OP07具有非常低的输入失调电压，而且不需要额外的调零措施。OP07超低偏移：150μV最大;低输入偏置电流：1.8nA;低失调电压漂移：0.5μV/℃;超稳定，时间：2μV/month最大高电源电压范围：±3V至±22V。OP07同时具有输入偏置电流低(±2nA)和开环增益高(300V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

小信号放大器运用OP07低失调、高开环增益的特性，使用两片OP07设计两级差分反相放大器，将输入的0～15mV的小信号放大到0～5V，其中运算放大器OP07的正端输入接信号地，负端接输入的小信号，这种设计提高了设备的抗干扰能力，确保小信号在放大后不失真。为了保证放大后信号的线性度较好，小信号放大器在两级放大器正负两路上同功能绝对位置相同的两电阻使用了温漂小、线性偏差和斜率一致的精密电阻。精密电阻的阻值误差一般在±0.5%、电阻的热稳定性较好，但是为了保证精密电阻温度变化一致性较好，小信号放大器配对电阻采用了以下方法进行选择：

将同批次200个精密电阻做温度试验，在室温(当时的实际温度)、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃每个温度点达到平衡后一个小时记录每个电阻的阻值;试验后按照公式(1)、公式(2)计算每个电阻的线性偏差和斜率。

公式1:

公式2:

每个电阻按照公式(1)、公式(2)计算后，把线性偏差和斜率数值一致或差别最小的两电阻配为一对提供使用。通过将线性偏差和斜率数值一致或差别最小的两电阻放置在绝对位置相同的地方，即使经过长期工作，线性偏差基本一致，也可以将共模抑制比影响运算误差降小。小信号放大器采用低失调、高开环增益的运算放大器OP07，和在两级放大器正负两路上同功能绝对位置相同的两电阻使用温漂小、线性偏差和斜率一致的精密电阻组成，使小信号放大几百倍后仍能保持较好的线性，即使长期工作，运算放大器OP07的温漂较小，配对电阻变化率基本一致，也使得小信号放大器能够保持较好的线性。

结束语：小信号放大器采用低失调、高开环增益的运算放大器OP07设计两级反相比例放大器，通过将绝对位置相同的电阻选取线性偏差和斜率数值一致或差别最小的两电阻，降低共模抑制比造成的误差，该方法简单有效，可靠性高，长期工作后线性度比较好。

摘要：基于当前越来越多传感器使用，传感器产生的小信号电压值能量比较小，容易被外界设备干扰或淹没，不易长距离传输，因此需将其放大成几伏信号进行传输和信号采集。小信号放大器利用运算放大器将几毫伏至几十毫伏的电压信号放大至几伏，以便于数据采集，并且长期工作后仍能保持信号线性放大不变。本文介绍了小信号放大器的电路设计，以及线性放大关键设计。

关键词：小信号放大器,线性放大

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