基于TLC2652的高精度放大器電路及應用

在微弱信號的測量中，常常需要放大微伏級的電信號。這時，普通的運算放大器已無法使用了，因為它們的輸入失調(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)零型運算放大器提供了一種解決微信號放大問題的廉價方案。

?????? TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司使用先進的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器。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)

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?????????????????????????????????? 圖一、TLC2652的功能框圖

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?????? 下面對TLC2652的內(nèi)部功能單元作一簡單介紹：

?????? 1、 主放大器。它與一般的運算放大器不同之處在于，它有三個輸入端。除引出芯片外部的同相和反相輸入端外，其在芯片內(nèi)部還有一個用于校零的同相輸入端。

?????? 2、 校零放大器。它也有三個輸入端，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、 時鐘和開關(guān)電路。內(nèi)部時鐘產(chǎn)生時鐘信號，控制各開關(guān)按一定的時序閉合與斷開。在14和20引腳的芯片中時鐘信號還可從外部引入。

?????? 4、 補償網(wǎng)絡(luò)。它使電路在較寬的頻帶內(nèi)有平坦的響應。在TLC2652中，電路的高頻響應主要由主放大器決定。

?????? 5、 箝位電路（CLAMP）。它實際上是一個當輸出與電源電壓相差接近1V時動作的開關(guān)，把CLAMP與運放的反相輸入端短接，則其引入的深度負反饋可使電路在過載時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。

三、斬波穩(wěn)零的工作原理

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??????????????????????????? 圖二、TLC2652的簡化框圖

?????? TLC2652芯片上的控制邏輯產(chǎn)生兩個主要的時鐘周期：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，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，外接記憶電容CXB 中儲存了校零電壓，使主放大器在下一個校零周期內(nèi)仍保持校零。

在TLC2652中，內(nèi)部時鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在這種連續(xù)校零的機制下，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

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），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。

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?????? 下面是TLC2652的管腳排列和封裝信息。

?????????????????????????????????????? 圖三、TLC2652的封裝形式

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?????????????????????????????????????? 表一、德州儀器公司提供的TLC2652封裝

?????? 五、TLC2652的實用電路

?????? 下圖是TLC2652的典型電路（反相放大器）。

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????????? ?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。

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?????? TLC2652的內(nèi)部時鐘使斬波器工作在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引腳進行調(diào)節(jié)。當這兩個引腳懸空時，電路使用內(nèi)部的450Hz時鐘；使用外部時鐘時，可把INT/EXT引腳對VDD-短路，同時從CLK IN引腳輸入時鐘信號，幅度為2.5V（相對于VDD-），并且不能超過VDD-至VDD-+5V這個范圍。在單電源工作時，TLC2652的時鐘可以直接用5VTTL和CMOS信號驅(qū)動。

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從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應越高越好,但fc的提高又會造成嚴重的尖峰效應，是斬波器漂移增大，所以通常有fc≤10kHz。這就是導致斬波穩(wěn)零運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)零運算放大器TLC2654/TLC2654A,此款運放的斬波頻率高達10kHz。

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?????? TLC2652的過載恢復時間是比較短的（30ms左右），如要進一步減小恢復時間，可以使用電路的CLAMP引腳。這時，電路中的負反饋電阻要選大些，以使箝位發(fā)揮作用時電路的增益下降得更多。當然，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，使用時可在正負電源串接一只200-510Ω的限流電阻，同時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)造保護環(huán)（圖五、圖六）。

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???????????????????????? 圖五、使用保護環(huán)的反相放大器??????????? 圖六、印板上的保護環(huán)布置

?????? TLC2652在作直流微信號放大時，為了進一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個低通濾波器（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。

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????????????? 圖七、帶保護環(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驗室中的高靈敏電流計保護電路，并改造了實驗室的熱電偶放大器，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格比，它在生產(chǎn)中有較為廣闊的應用前景。

?????? 參考文獻：

1、 TLC2652, TLC2652A, TLC2652Y Advanced LinCMOSTM Precision Chopper-stabilized Operational Amplifiers，2001，Texas Instruments.
2、 集成運算放大器基本原理與應用，1992，錢國飛編，上海交通大學出版社。