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一、引言 在微弱信號的測量中，常常需要放大微伏級的電信號。這時(shí)，普通的運(yùn)算放大器已無法使用了，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。固然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移則是難以消除的。德州儀器公司生產(chǎn)的斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器提供了一種解決微信號放大問題的廉價(jià)方案。 TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，TLC2652非常適合用于微信號的放大。 二、TLC2652的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖一、TLC2652的功能框圖 下面對TLC2652的內(nèi)部功能單元作一簡單介紹： 1、 主放大器。它與一般的運(yùn)算放大器不同之處在于，它有三個(gè)輸入端。除引出芯片外部的同相和反相輸入端外，其在芯片內(nèi)部還有一個(gè)用于校零的同相輸入端。 2、 校零放大器。它也有三個(gè)輸入端，但與主放大器相反，在芯片內(nèi)部的輸入端是反相輸入端。 3、 時(shí)鐘和開關(guān)電路。內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號，控制各開關(guān)按一定的時(shí)序閉合與斷開。在14和20引腳的芯片中時(shí)鐘信號還可從外部引入。 4、 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。它使電路在較寬的頻帶內(nèi)有平坦的響應(yīng)。在TLC2652中，電路的高頻響應(yīng)主要由主放大器決定。 5、 箝位電路（CLAMP）。它實(shí)際上是一個(gè)當(dāng)輸出與電源電壓相差接近1V時(shí)動作的開關(guān)，把CLAMP與運(yùn)放的反相輸入端短接，則其引入的深度負(fù)反饋可使電路在過載時(shí)的增益大大下降以防止飽和。它可以加速電路在過載后的恢復(fù)。 三、斬波穩(wěn)零的工作原理 圖二、TLC2652的簡化框圖 TLC2652芯片上的控制邏輯產(chǎn)生兩個(gè)主要的時(shí)鐘周期：校零周期和放大周期。主放大器一直與電路的輸入端和輸出端相連，而校零放大器則在兩個(gè)周期內(nèi)分別對自己和主放大器校零。 在校零周期內(nèi)，開關(guān)A閉合，使校零放大器的兩個(gè)輸入端短路，通過自身的反饋，校零放大器的失調(diào)電壓被減到最小。同時(shí)，外接記憶電容CXA 中儲存了這一失調(diào)電壓，使校零放大器在放大周期內(nèi)仍保持校零。 在放大周期內(nèi)，開關(guān)B閉合，把校零放大器的輸出與主放大器的同相輸入端連接起來，使主放大器被校零。同時(shí)，外接記憶電容CXB 中儲存了校零電壓，使主放大器在下一個(gè)校零周期內(nèi)仍保持校零。 在TLC2652中，內(nèi)部時(shí)鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在這種連續(xù)校零的機(jī)制下，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小。由于低頻信號經(jīng)過兩個(gè)放大器放大，電路可以獲得極高的增益，這在需要精密高增益放大的電路中是十分有用的。由于使用了LinCMOS工藝和低噪聲的MOSFET，輸入噪聲被大大減小。 四、TLC2652的主要技術(shù)性能 1、 極低的輸入失調(diào)電壓：0.5μV（典型值），1μV（最大值）； 2、 極低的失調(diào)電壓漂移：0.003μV/ oC（典型值），失調(diào)電壓長期漂移為0.003μV/月； 3、 低輸入偏置電流：4pA（典型值），60pA（最大值）； 4、 低輸入失調(diào)電流：2pA（典型值 ），60pA（最大值），500pA（T = - 55 oC 至125 oC最大值）； 5、 開環(huán)電壓增益：135dB（最小值），150dB（典型值）； 6、 共模抑制比：120dB（最小值），140dB（典型值）； 7、 電源抑制比：110dB（最小值），135dB（典型值）； 8、 電源電流：1.5mA； 9、 帶寬增益積：1.9MHz； 10、輸入噪聲：94 nV/√Hz@ f="10Hz"，23 nV/√Hz@ f="1kHz"； 11、擺動速率：2.8V/μs（SR+），3.1 V/μs（SR-）； 12、電源電壓：16V（VDD+-VDD-）（最大值）； 13、輸出電流：±50mA。 下面是TLC2652的管腳排列和封裝信息。 圖三、TLC2652的封裝形式 表一、德州儀器公司提供的TLC2652封裝 五、TLC2652的實(shí)用電路 下圖是TLC2652的典型電路（反相放大器）。 圖四、TLC2652（DIP-8）的典型電路（圖中CLAMP已使用） 在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個(gè)記憶電容CXA和CXB必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器，容量可以從0.1μF至1μF中選擇，電容的一端接到CXA或CXB引腳，另一端接至VDD-或C RETURN引腳。在一些斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器中把記憶電容接至VDD-引腳會增加噪聲，而TLC2652則沒有這種問題。 TLC2652的內(nèi)部時(shí)鐘使斬波器工作在450Hz的頻率上。在8引腳封裝的芯片中，這個(gè)頻率是不可調(diào)的。但在14引腳封裝的芯片中，斬波頻率可以通過INT/EXT和CLK IN引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)這兩個(gè)引腳懸空時(shí)，電路使用內(nèi)部的450Hz時(shí)鐘；使用外部時(shí)鐘時(shí)，可把INT/EXT引腳對VDD-短路，同時(shí)從CLK IN引腳輸入時(shí)鐘信號，幅度為2.5V（相對于VDD-），并且不能超過VDD-至VDD-+5V這個(gè)范圍。在單電源工作時(shí)，TLC2652的時(shí)鐘可以直接用5VTTL和CMOS信號驅(qū)動。 從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應(yīng)越高越好,但fc的提高又會造成嚴(yán)重的尖峰效應(yīng)，是斬波器漂移增大，所以通常有fc≤10kHz。這就是導(dǎo)致斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器頻帶窄的原因。如果需要更低的噪聲和更寬的頻帶，可以使用德州儀器公司的另一款LinCMOS斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2654/TLC2654A,此款運(yùn)放的斬波頻率高達(dá)10kHz。 TLC2652的過載恢復(fù)時(shí)間是比較短的（30ms左右），如要進(jìn)一步減小恢復(fù)時(shí)間，可以使用電路的CLAMP引腳。這時(shí)，電路中的負(fù)反饋電阻要選大些，以使箝位發(fā)揮作用時(shí)電路的增益下降得更多。當(dāng)然，使用CLAMP后，電路的輸出幅度會略有減小。 與其他CMOS器件一樣，TLC2652也存在寄生可控硅效應(yīng)，使用時(shí)可在正負(fù)電源串接一只200-510Ω的限流電阻，同時(shí)保證不使電路的輸入與輸出電壓超出電源電壓300mV。 TLC2652是高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，一是負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提高印制板的質(zhì)量，防止印板表面的漏電流。為此，可在印制板上設(shè)置保護(hù)環(huán)，尤其是14引腳和20引腳的芯片，可以充分利用輸入端周圍的空腳，構(gòu)造保護(hù)環(huán)（圖五、圖六）。 圖五、使用保護(hù)環(huán)的反相放大器 圖六、印板上的保護(hù)環(huán)布置TLC2652在作直流微信號放大時(shí)，為了進(jìn)一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個(gè)低通濾波器（見圖七），以濾除輸出電壓中的交流分量，使輸出電平更加穩(wěn)定。圖七的電路可用于直流緩變信號的放大，如熱電偶放大器等。 圖七、帶保護(hù)環(huán)的1000倍高輸入阻抗直流前置放大器 六、總結(jié) 在上文中我們介紹了TLC2652的原理和性能，并由此引出了一些可以用于微信號放大的實(shí)用電路，它們可用于工業(yè)自動控制和儀器儀表的高精度放大器。我們把電路用于物理實(shí)驗(yàn)室中的高靈敏電流計(jì)保護(hù)電路，并改造了實(shí)驗(yàn)室的熱電偶放大器，取得了良好的效果。由于電路簡單，易于調(diào)試，且具有很高的性能價(jià)格比，它在生產(chǎn)中有較為廣闊的應(yīng)用前景。 |
