[摘要]论述一种直流放大器的设计方法，采用三运放的仪表放大器放大直流信号，使输出电流大小满足最大电压输出时负载电流的要求。
[关键词]直流放大 仪表放大器 双T桥式带阻滤波器 工频干扰 晶体管扩流
中图分类号：TM93文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1010028－01
一、系统总体设计
根据要求系统可分为信号源与干扰源产生、输入信号放大、抑制干扰、扩流和稳压电源部分。信号源主要包括直流信号和近似直流的频率为0～30Hz的慢变信号。干扰源主要为工频（50Hz）和工频谐波干扰。作为直流放大器的设计，信号源和干扰源，自己利用设计手段产生。输入信号放大部分，因为所设计为直流放大器，故需对所产生信号源进行放大，以符合设计要求。抑制干扰部分，由于测量直流信号时往往不可避免地会混有工频（50Hz）和工频谐波干扰,所以想得到精确的直流放大信号,必须抑制掉干扰信号。另外因为设计要求在等效负载50Ω时输出电压最高达到了10V，故需要提供至少0.2安培负载电流，一次输出前需接电流放大电路。
（一）方案确定
1．工频干扰源的产生。由外稳幅文氏电桥振荡器产生，利用RC串并联电路和集成运放NE5532反馈电阻成文氏电桥[1]。调节可变电阻VR的阻值，使输出信号频率固定为50Hz，信号大小则由变电阻器分压得到所要求的200ｍV。此方案电路简单，输出可调，成本较低。
2．直流放大的设计。由于所测信号较弱，且信号中含有较大的共模信号，因此，要求放大电路有高输入电阻和高共模抑制比。利用集成运放构成仪表放大器，内接负反馈，提高输入阻抗，使放大能力不随输入信号大小而改变。调整反馈电阻，可任意改变电压增益，与后级滤波电路相匹配。而且该放大电路差模增益很大，共模增益很低（理论上为零），而且差模增益越大，共模增益越小，共模抑制比很高，故为设计所取[2]。
3．干扰抑制电路的设计。利用双T桥式滤波器设计实现。经过多个方案分析，更有效的设计方法应该是将精确度均匀分布在整个通带或阻带内，或者同时分布在两者内，这样就可用较低阶数的系统满足要求，可通过选择具有等波纹特性的逼近函数来达到，双T桥式滤波器的振幅特性就具有这种等波纹特性。因此，采用这种带阻滤波器设计，使之在50Hz处将干扰信号吸收，而在通带内的衰减近似相等，此方案可取。
4．电压输出部分的设计。由于输出负载上的最高电压有10伏，电流为0.2安培，运放无法驱动如此大的电流。所以负载前级必须加上扩流电路。利用晶体管的发射级电流放大而电压跟随的特点，使用双对管工作，组晶体管为8050和8550[3]。该电路也能起到拉大电流的作用，使电流大小满足负载要求，而且体积小，便于使用。
5．稳压电源的设计。一般的稳压电源已有一套比较成熟的通用方案，即利用变压器降压，再利用四个二极管进行整流，整流输出进行滤波，再接三端进行稳压，输出即为正负直流电压，再接两个电容对输出电压滤波，即可得到稳压电源。
（二）系统组成
经过不同方案的互相比较与论证,确定系统组成框图，如图一所示。其中信号源由电阻分压获得,干扰源由运放NE5532所搭成的外稳幅文氏电桥振荡器产生50Hz的正弦信号，利用RC串并联电路和集成运放NE5532反馈电阻构成文氏电桥。调节电阻R的阻值，使得输出信号为我们所需要的干扰源。直流放大电路由三运放组成的仪表放大和后面的滤波电路的放大电路组成。干扰抑制由设计的双T桥式带阻滤波器实现，而输出的电流信号需要放大，采用晶
体管电压跟随放大实现。
二、单元电路的设计
（一）信号源与干扰源的产生
由于所测为直流信号，故可由电阻分压电路来实现。干扰源的产生则由外稳幅文氏电桥振荡器产生，利用RC串并联电路和集成运放NE5532反馈电阻构成文氏电桥。调节R的阻值，使输出信号频率固定为50Hz，信号大小由可变电阻器分压得到要求的200ｍV。
由R1，R2，VR1，VR2，C7，C8控制振荡频率，调节VR1，VR2改变振荡频率，使之为50Hz，R3，R4，VR3控制起振与否，D1，D2起外稳幅作用。调节VR4改变输出电压幅度。经计算得到R3=20K，R4=24K，VR3为50kΩ的可变电阻器，R5=24K。C7=C8为两个0.1 uF的电容，R1=R2=24K，VR1，VR2都取10kΩ的可变电阻器。
（二）直流放大电路的实现
三运放组成的仪表放大器的实现，其特点是输入阻抗大（负反馈），共模抑制比大（差模增益很大，而共模增益很小，理论上为０），如图三。其中，R12，VR7，R13为调零电路，使失调电压影响降至最小，UA=Ui1，UB=Ui2，经过推算得到：Uid，当Ui1=Ui2=Uic时，由于UA= UB=Uic，R8和VR6中电流为零，Uo1=Uo2=Uic，输出电压Uo=0。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。由图可见，将R7，R9，R10，R11，R14，R15都设为20K，R8设为200Ω，可变电阻器采用2kΩ，调节它的阻值来改变放大电路的增益。
（三）干扰抑制电路的设计
干扰抑制电路由带阻滤波器实现，该滤波器属双T桥式滤波器。通过适当调整电阻和电容的参数，可使电路在50Hz频率处衰减，有效抑制工频及谐波干扰，再调整参数，使Ｑ值尽可能大，但不产生自激振荡，使直流和慢变信号（0～30Hz）通过时衰减近似为零，而工频信号通过时急剧衰减，达到设计要求。参数推算得知Aup=1.94,则 Rf÷ R1=0.94。
（四）电流放大电路的设计
由于运放NE5532的输出作为带阻滤波器的输出，而运放的拉灌电流都很小，只有几个毫安级，而要求是在输出负载为50Ω时，输出电压幅度为1～10V，以输出电压为10V时计算，输出负载上的电流将达到0.2个安培，大大超过运放的拉灌电流范围，所以，在运放输出和负载前需接一级电流放大电路，而输出电压要保持不变，因此，利用晶体管电压跟随而电流放大的特点，设计出此电路，如图五。
三、结束语
本系统以NE5532芯片为核心组成的直流放大器，可对一些高内阻，弱信号传感器的输出信号进行放大处理。处理的信息包括从直流成分到几十赫兹带宽内，且通过双T桥式带阻滤波器能有效的滤出工频（50Hz）和工频谐波干扰。在系统设计过程中，力求保证高共模抑制比和低输出电压纹波系数。
参考文献：
[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2005年.
[2]谢嘉奎.电子线路线性部分[M].北京：高等教育出版社，2002年.
[3]王港元.电工电子实践指导.江西:江西科学技术出版社，2005年.
作者简介：
黎晓贞，女，江西南昌，大学本科，助理实验师，研究方向：电工电子技术实验、电子设计竞赛。