基于NJM4580运算放大器实现电磁超声换能器级联放大电路的设计

引言

在无损检测中，EMAT因其独有的优点被广泛应用，但经EMAT接受线圈接受到的信号通常很微弱，信号幅值小，一般只有几十μV到几百μV，并且对周围环境噪声敏感度高，接收信号常被淹没在噪声中，辐射模式较宽，能量不集中。为了得到适合显示观察的水平，需要对信号进行放大和滤波处理，以减少噪声和干扰。为了避免EMAT的接收系统放大倍数过大引起信号失真和自激的现象，通常采用多级放大。主要包括前置放大器、滤波器、主放大器，以及用于在数字设备中的A／D转换电路等。为了得到更好的结果，前置放大器自然起着至关重要的作用。应用专业的EDA软件对其进行仿真分析，能够更迅速准确地分析电路性能，从而选出性能较好更适合需要的电路，本文设计了2种前置放大器，并且利用Multisim10仿真软件对这2种电路进行了仿真比较。

1 前置放大器

1．1 用NJM4580设计的放大器

在第一种电路设计中，选用NJM4580运算放大器，该放大器是日本新无线公司生产的双路运算放大器，具有无噪声、更高的增益带宽、高输入电流和低失真度，不仅适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器，还适用于手工测量工具等。

NJM4580的主要特点是：工作电压为±5～±18 V；低输入噪声电压为0．8μV；增益带宽为15 MHz；低失真为0．005％；转换速率为5V／μV；采用双极技术。应用NJM4580设计的放大器电路如图1所示。

本设计采用NJM4580，主要是在差分放大电路设计部分保持信号的带宽，使其不失真。采用3个运算放大器排成2级，由运放U1A，U2A按通向输入接法组成第1级差分放大电路，运放U3A组成第2级差分放大电路。在第1级电路中，信号源加到U1A的同相端，R6和R3，R4组成的反馈网络，引入了负反馈。

为了使电路对称，提高仪用放大器性能，选取的电阻应满足R3=R4关系，参数严格匹配，误差控制在很小范围内。经过计算，最终得到输出电压的关系如式（1）：

 

从式（2）中可直观看到，根据选取R5／R1和R3／R6电阻的比例关系，达到不同信号放大比例的要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计中最重要的环节之一。考虑到电路的稳定和安全，固定R1～R5，R7，R8的阻值，都选精确的10kΩ电阻，只将R6设置成可调，随着R6的减小，放大倍数越大，带宽越窄。所以设计时确定R6为2 kΩ。该放大电路是级联放大电路，为前级放大，而后级级联放大电路则由2个741级联构成，共同组成一个完整的信号接收端的前置放大电路。

 

1．2 应用AD620设计的放大器

在进行微弱信号检测中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应选择接近理想运算放大器的芯片。要求具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂，具有较大的共模抑制比和输入电阻。因此，在另一种电路设计中，应用AD620对第一种电路进行改进。AD620是AD公司生产的高精度单片仪表运放，它拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大，而且AD620具有很好的直流和交流特性，更有低功耗、高输入阻抗、低输入失调电压、高共模抑制比等优点，其外部电路连接方便简单，只需要一个连接于1，8脚的外接电阻就可调节放大倍数。增益G=49．4 kΩ／RG+1。其中：RG为1和8脚连接的外电阻。AD620主要特点有以下几点：带宽800 MHz，输出功率24 mW；功率增益120 dB；工作电压±15 V；静态功耗0．48 mW；输入失调电压≤60μV；转换速率1．2 V／μs；最大工作电流1．3 mA；输入失调电压5μV；输入失调漂移最大为1μV／℃；共模抑制比93 dB。应用AD620设计的电路如图2所示。

 

2 采用Multisim 10软件仿真

2．1 软件介绍

Multisim 10是由美国国家仪器公司（National Instrument，NI公司）推出的，相对于Multisim 10的仿真软件，它具备更加形象直观人性化的特点，提供了16 000多个高品质的模拟、数字元器件；各种分析方法（直流扫描分析，参数扫描分析等）；电压表、电流表和多台仪器（数字万用表、函数信号发生器等）。该软件大多数采用的是实际模型，保证了仿真和实验结果的真实性和实用性。应用Multisim 10可以进行模拟电路、数字电路、模数混合以及射频电路的仿真。其中，它的高频仿真和涉及环境是众多通用仿真电路软件中所不具备的。本文设计的是μV级的电压信号放大。采用了2种方案，通过Multisim 10的仿真来对这两种电路性能进行比较。

2．2 仿真比较

（1）函数信号发生器的设置。在软件中打开信号发生器，因本文使用的信号频率范围一般为25 kHz～1 MHz，为了模拟传感器接收到的信号，在此范围中，选取输入信号频率为100 kHz，幅度为100μF的正弦波信号来做分析比较，函数发生器设置如图3所示。

（2）电路的幅频特性仿真与比较。应用此软件中的波特图仪（Bode Plotter）对两电路的幅频特性进行仿真比较，设置的观察频率范围是25 kHz～1 MHz，结果如图4所示。

通过波特图可以直接观察出当输入信号频率为25 kHz时，两电路的增益分别为85 dB和98 dB。比较可以得出，应用AD620改进电路的放大效果较好。通过移动波特图仪的光标柱可以观察2个电路在其他频率时的放大增益。将光标注移动到100kHz，可以直接观察到此频率下两电路的增益分别为60dB和72dB。

以此类推通过移动光标柱可以获得输入信号为其他频率时的两电路增益，不同输入信号频率下的增益如表1所示。通过比较可知，应用AD620电路的增益高于应用NJM4580电路的增益。

 

（3）输出信号波形的比较。在软件打开示波器，在示波器中进行设置，红色表示输入信号，绿色表示放大后的输出信号。选取频率100 kHz，幅度100μV的信号，经电路放大，分别得出输出波形如图6所示。通过Multisim 10仿真可以很清晰地看出两电路的输出波形。为了便于对波形进行观察，将Channel A（输入信号通道）设置为100μV／Div，图6（a）的Channel B（输出信号通道）设置为100 mV／Div，图6（b）的Chann el B（输出信号通道）设置为500 mV。从波形图可以看出，当输入信号均为100μF时，两电路输出的信号大小分别为100 mV和380 mV，很显然，应用AD620的改进电路二，放大倍数更大。通过此方法，可以对输入信号为其他频率时的输出波形进行比较。

3 结语

本文针对输入信号为微幅级的信号，用NJM4580运算放大器设计了与741共同构成的级联放大电路，并在此基础上应用AD620对电路进行改进以达到更加优良的性能；利用Multisim 10对设计的2个放大电路进行仿真、比较，从而验证了应用AD620的放大电路不仅电路构成简单，而且在放大性能上更加优于应用NJM4580运算放大器构成的差分级联放大电路。

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